§ 19. Современные проблемы в области разработки лазеров

Этот параграф не содержит полного описания всех мировых исследований, поскольку область физических исследований, касающихся лазеров, велика и достаточно сложна. Это, с одной стороны, невозможно выполнить в связи с ограниченным объемом, а с другой стороны, это нарушило бы и общий план книги. Тем не менее можно перечислить несколько областей исследования, представляющих в настоящее время наибольший интерес.

Сложные спектроскопические исследования редкоземельных ионов, связанных в кристаллах, приводят к новым возможностям в разработке лазеров. Существует также ряд интересных предложений, касающихся получения состояний с инверсной населенностью в полупроводниках. В этой связи было рассмотрено несколько схем, в которых для изменения распределения носителей тока по энергиям используются оптическое возбуждение и электрический пробой полупроводников. Басов, Крохин и Попов [7] показали, что некоторые из предложенных методов непригодны для создания лазеров, однако один из методов, обсуждаемых авторами, а также метод, предложенный Лэксом [52], могут оказаться перспективными. Тем не менее пока нет сообщений об усилении света в полупроводниках^*.

^* (Уже после выхода этой книги из печати появились сообщения о создании полупроводникового лазера [108-110] на основе метода, предложенного в работе [111]. Настоящая книга содержит дополнение, посвященное полупроводниковым лазерам.- Прим. ред.)

В настоящее время исследуется большой ряд различных газов и газовых смесей с целью определения возможности получения в них инверсной населенности в результате элементарных соударений или при оптическом возбуждении^*. Во многих случаях определенные выводы затруднены тем, что практически неизвестны времена жизни соответствующих переходов. В других случаях, хотя расчеты показывают, что возникновение инверсной населенности возможно, экспериментальная осуществимость ее вызывает сомнения. Сюда относится, в частности, смесь паров цинка и ртути. Из работы Аблекова, Лесина и Фабелинского [3], казалось бы, следует, что возможно получение отрицательного поглощения на линии 6362 Å при резонансной передаче энергии с уровня 7³S ртути на уровень 4¹D цинка. Сужение спектральной линии излучения 6362 Å при прохождении через такой разряд наблюдалось в работе [2].

^* (Уже после выхода книги в свет были разработаны газовые лазеры, в которых состояние с отрицательным поглощением достигалось посредством неупругих соударений, сопровождающихся диссоциацией [101]. Фотодиссоциация рассмотрена в работе [104].- Прим. ред.)

Жидкости и органические вещества представляют ?робой огромный класс материалов, в которых резонансная передача возбуждения может привести к интересным результатам. До сих пор практически полностью пренебрегалось возможностью использования лазеров в качестве усилителей, а не только генераторов света. Хотя лазер как усилитель света имеет большие шумы, тем не менее он открывает ряд возможностей, особенно существенных для дальней ?инфракрасной области спектра. Это стимулирует продолжение исследований оптических усилителей^*.

^* (Оптический усилитель на основе рубина описан в работе [112].- Прим. ред.)

Оставляя в стороне эту обширную область исследовательских работ, обратимся к проблемам развития разработок лазеров.

Предполагаемые применения лазеров, о которых было сказано в § 18, определили основные направления дальнейших разработок. Каждая из возможных областей применений выдвигает свои конкретные ?требования к характеристикам лазера, так что качество лазера не должно рассматриваться независимо от его назначения. В этом смысле можно перечислить -следующие основные направления:

1. Применения, включающие возможность местного нагрева, обработки или разрушения материалов, требуют получения большой энергии за весьма короткие отрезки времени безотносительно к колебаниям частоты и амплитуды излучения. Когерентность излучения, если не рассматривать фокусировку на большие расстояния, в этом случае имеет второстепенное значение.
2. Применения в химии выдвигают аналогичные требования. Здесь неопределенность частоты может быть ограничена, однако величина 10¹¹ гц является еще допустимой. Промежутки времени, в течение которых действует излучение, могут быть более продолжительными, чем в первом случае.
3. Для применения в локации требуются короткие и мощные импульсы, излучающиеся в виде либо отдельных вспышек, либо вспышек, повторяющихся через постоянные промежутки времени. В этом случае существенную роль играет пространственная когерентность, поскольку необходим узкий пучок света. Здесь может быть допустима неопределенность частоты порядка 10¹⁰ гц. Величина энергии импульса может быть меньше, чем это необходимо в первом случае, однако длительность импульса должна быть значительно меньше.
4. Радиосвязь требует в первую очередь постоянства частоты и амплитуды излучения, мощность же играет подчиненную роль. Наиболее важна возможность модуляции частоты и амплитуды, которая определяет передаваемую информацию. В идеальном случае желательно иметь ширину линии излучения, равную нескольким герцам.
5. В научных экспериментах требования, предъявляемые к лазерам, весьма различны и поэтому невозможно сделать какие-либо общие заключения. В частности, в метрологии необходимы источники с длительной высокой стабильностью частоты.

Помимо этих общих требований, существуют проблемы, связанные с необходимостью создания лазеров для других участков спектра.

Для большинства применений требуется значительная энергия излучения лазеров. Поскольку к. п. д. первых лазеров составлял менее 0,1%, усовершенствование лазеров обещает значительный экономический эффект, правда не столько за счет затрат электрической энергии, сколько за счет снижения стоимости вспомогательного оборудования, обеспечивающего возбуждение и удаление тепла.

Для усовершенствования лазеров характерны два главных направления: улучшение применяемых материалов и поиски новых материалов и новых методов создания лазеров.

Единственное вещество, с помощью которого пока удалось получить большую мощность,- это рубин, и поэтому все применения лазеров, в которых требуются большие мощности, зависят главным образом от усовершенствования рубинового лазера. Это усовершенствование в основном сводится к проблеме эффективного возбуждения больших кристаллов рубина светом соответствующего спектрального состава. Возбуждение обеспечивается либо посредством спиральной импульсной лампы, окружающей рубин и работающей в форсированном режиме, либо посредством прямой импульсной лампы, помещенной вдоль одной из фокальных осей эллиптического цилиндра, вдоль второй оси которого расположен кристалл рубина. Эффективность возбуждения может быть также повышена, как мы уже обсуждали, путем помещения рубина внутрь сапфировой оболочки. Этот метод увеличивает технологические трудности, связанные с изготовлением кристаллов, но тем не менее он применяется.

Повышение мощности приводит к необходимости увеличения размеров кристаллов рубина. Как следует из условий самовозбуждения, приведенных в § 6, коэффициент отражения зеркал может быть уменьшен, если увеличивается степень возбуждения или длина кристалла рубина. Первые эксперименты на кристаллах рубина были выполнены с зеркалами, имеющими коэффициент отражения 98%. Эксперименты на больших кристаллах рубина, дающих большую мощность излучения, проводятся с зеркалами, коэффициент отражения которых равен 50% или даже меньше. Отражающие покрытия повреждаются излучением высокой мощности. Практический предел составляет около 1 дж для напыленных серебряных зеркал и около 5 дж для многослойных диэлектрических покрытий. Внешние зеркала меньше подвержены нагреву, и поэтому опасность повреждения их уменьшается. Для больших кристаллов рубина (длиной 20 см) нет необходимости вообще делать отражающие покрытия, поскольку вследствие большого показателя преломления рубина (1,76) коэффициент отражения света при нормальном падении составляет около 8%. Высоких уровней возбуждения можно достичь с кристаллом, на одном конце которого отсутствует покрытие, а на другом осуществляется полное отражение, так что среднее геометрическое значение коэффициентов отражения составляет 0,28. В этом случае один из концов кристалла рубина имеет форму либо призмы, либо конуса с углом в вершине 90°. Это дает полное внутреннее отражение, т. е. эквивалентно коэффициенту отражения, равному 100%. Такой кристалл, на котором полностью отсутствуют покрытия, может быть возбужден до уровня, при котором возникает генерация.

Для применений, в которых необходимы мощные импульсы строго определенной формы, могут быть использованы различные модификации метода Хелворта - Мак Кланга. В этом случае пригодны любые способы, с помощью которых можно в заданный момент времени резко изменять либо уровень возбуждения, либо величину обратной связи. Для получения последовательности мощных импульсов можно совместить непрерывное возбуждение с периодически работающим затвором. В этом случае возникает задача создания достаточно мощного источника возбуждения и обеспечения необходимой скорости отвода тепла. В другом случае кристалл рубина может возбуждаться непрерывно работающим источником света, но так, что условия самовозбуждения не достигаются. Тогда режим генерации может быть обеспечен дополнительными вспышками другого источника возбуждения. Условия, при которых возникают мощные импульсы, вообще говоря, неблагоприятны для получения большой энергии излучения в импульсе.

Точный контроль частоты излучения рубинового лазера сводится к точному контролю температуры. Последнее требование совместимо лишь с небольшой мощностью лазера.

Значительная работа проводится по улучшению качества рубина и однородности его возбуждения. Прогресс в этой области приведет к более однородному распределению интенсивности и фазы вдоль сечения излучаемого лазером пучка света. В этом отношении определенный интерес представляют лазеры с кристаллами, содержащими ионы неодима, поскольку для них требуются низкие уровни возбуждения, а изменения амплитуды в выходящем излучении имеют регулярный характер. Лазеры, в которых в качестве активных элементов используются ионы неодима и других редких земель, в настоящее время интенсивно излучаются, однако имеется очень мало сведений относительно мощности, которую можно получать с их помощью.

В 1962 г. был разработан лишь единственный лазер, пригодный для использования в радиосвязи. Это был лазер на смеси газов гелия и неона, дающий излучение в близкой инфракрасной области спектра. Согласно опубликованным материалам, сейчас достигнута мощность в несколько милливатт, однако ведется интенсивная работа с целью увеличения мощности. В экспериментах получена чрезвычайно высокая стабильность (см. § 17). В сочетании с устройствами, обеспечивающими модуляцию и демодуляцию, которые разрабатываются в настоящее время, лазер на смеси гелия и неона открывает широкие возможности для передачи информации. Следует добавить, что детально изучены лишь характеристики излучения одной частоты. Экспериментально наблюдалось излучение на четырех других частотах, возможна также генерация на большем числе частот^*. Лазер на смеси гелия пока является лучшим инструментом в научных экспериментах, включающих интерференционные измерения. Интенсивная работа над другими газовыми системами в скором времени приведет к новым лазерам, способным конкурировать с лазером на смеси гелия и неона^**. Развитие этой области происходит так быстро, что новые предложения превращают имеющиеся идеи в устаревшие, прежде чем их удается экспериментально проверить.

^* (В настоящее время генерация получена на 27 линиях неона, лежащих в диапазоне 0,6328-5,4087 мк (см. табл. 2 в конце книги).- Прим. ред.)

^** (Уже после выхода книги в свет были разработаны газовые лазеры, в которых состояние с отрицательным поглощением достигалось посредством неупругих соударений, сопровождающихся диссоциацией [101]. Фотодиссоциация рассмотрена в работе [104].- Прим. ред.)