Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Первым практически действующим лазером стал лазер на рубине, созданный в 1960 г. .

Рубин представляет собой кристаллическую окись алюми­ния АЬОз, в чистом виде известную как лейкосапфир («белый сапфир», прозрачный очень твердый кристалл), в которую до­бавлены трехвалентные положительные ионы хрома (Сг3+), играющего роль активатора. Хром в небольших концентрациях, оптимальных для создания лазеров, придает кристаллу розо­вую окраску.

Если на такой кристалл извне поступает энергия в виде по­тока фотонов (кристалл освещается некоторым источником из­лучения—щеточником оптической накачки), то электроны ионов хрома, поглощая фотоны излучения накачки, могут пере­ходить из основного состояния, в котором они находятся при отсутствии внешних воздействий, в возбужденное состояние, запасая при этом некоторое количество энергии. Для атомов или ионов любого вещества характерен определенный дискрет­ный набор возможных возбужденных состояний (энергетиче­ских уровней), причем каждому энергетическому уровню при­суще определенное «время жизни» — средняя продолжитель­ность пребывания атома в данном возбужденном состоянии, после чего накопленная им энергия теряется и атом переходит на более низкий энергетический уровнь (в состояние с мень­шим запасом энергии).

При определенной структуре уровней различие присущих им времен жизни может приводить к ситуации, когда населен­ность уровня с большей энергией выше населенности уровня с меньшей энергией; такая ситуация называется инверсией на­селенности. Именно инверсия населенности создает условия для усиления оптических колебаний.

Ионы хрома в рубине при переходе на нижний уровень от­дают накопленную энергию в виде излучения с узким спектром на волне Й,=с/у = 694,3 йм; т. е. в области видимого красного

света. Это красное свечение — люминесценция кристалла ру­бина под влиянием излучения накачки — не представляет со­бой ничего необычного, пока не достигнуто состояние инверсии населенности (т. е. пока мощность накачки невелика или от момента включения достаточно мощного источника накачки прошло немного времени). Отдельные акты испускания фото­нов при этом не связаны между собой, каждый возбужденный ион излучает «свою» волну, отличающуюся от других по частоте колебаний, фазе и поляризации. Такое излучение называется спонтанным (самопроизвольным). Однако при взаимодействии излученного фотона с возбужденной средой может происходить и другой процесс — стимулированное (вынужденное) излуче­ние, при котором дополнительно испускаемый фотон «жестко» связан с первым, вынуждающим, по частоте, фазе и поляриза­ции, так что их совместное излучение представляет собой еди­ную волну. При достижении инверсии населенности стимулиро­ванное излучение начинает преобладать над спонтанным и среда приобретает усиливающие свойства — ее коэффициент поглощения на частоте, соответствующей переходу иона с верхнего рабочего уровня на нижний, становится отрицатель­ным. Если поместить такую среду в оптический резонатор (т. е. создать обратную связь) и если инверсия населенности доста­точна для получения усиления, компенсирующего потери в ре­зонаторе и самой активной среде, то возникает генерация — мы получаем лазер, в данном случае рубиновый, который испус­кает когерентное излучение на волне 0,6943 мкм (при комнат­ной температуре).

Для предотвращения перегрева рубинового стержня руби­новые лазеры работают, как правило, в импульсном режиме. Источником накачки служит при этом импульсная лампа (обычно ксеноновая), дающая короткую (~1 мс), но мощную вспышку излучения. За короткое время вспышки, несмотря на огромную мощность лампы, рубин не успевает сильно на­греться, что резко упрощает проблему отвода тепла.

К сожалению, по многим причинам лишь небольшая часть энергии, подводимой к источнику накачки, превращается в ко­нечном счете в энергию лазерного излучения, вследствие чего к. п. д. лазера на рубине редко превышает 1 %.

Конструктивная схема импульсного рубинового лазера изо­бражена на рис. 25. Рабочее тело обычно выполняется в виде цилиндрического рубинового стержня, диаметр которого в со­временных лазерах лежит в пределах от 3 до 20 мм, а длина — от 30 до 250 мм. Параллельно рубиновому стержню на неболь­шом расстоянии от него располагается лампа накачки — квар­цевая трубка, заполненная ксеноном, на концах которой име­ются электроды; между ними при электрическом пробое газа возникает разряд, свечение которого и служит излучением на­качки. Лампа и рубиновый стержень помещены в отражатель с круглым или эллиптическим сечением, фокусирующий излу-

чение накачки на рубиновом стержне. По обе стороны от поли­рованных плоских торцов рубинового стержня, на продолже­нии его оси, расположены зеркала резонатора с многослойным диэлектрическим покрытием. Обычно одно из зеркал делается «глухим» (непрозрачным) и имеет коэффициент отражения, близкий к 100 % (иногда вместо «глухого» зеркала применя­ется отражающая призма), а другое зеркало — полупрозрач­ным с коэффициентом отражения значительно меньшим 100%. Через полупрозрачное зеркало излучение лазера выводится из резонатора наружу.

Режим свободной генерации. Описанный простейший ва­риант рубинового лазера работает в так называемом режиме свободной генерации. На рис. 26 вместе с формой импульса излучения лампы накачки показана временная диаграмма ла­зерного излучения. Из рисунка видно, что лазерное излучение начинается спустя некоторое время после начала излучения лампы (когда достигается необходимая величина инверсии на­селенности в рубине и усиление становится достаточным для выполнения условия генерации), причем лазер излучает не «гладкий» импульс, а «гребенку» из коротких импульсов, раз­деленных паузами, во время которых генерация отсутствует. Причина такой прерывистой генерации — быстрое уменьшение населенности верхнего рабочего уровня ионов хрома после на­чала генерации и, как следствие этого, снижение усиления в рубиновом стержне до величины, не обеспечивающей компен­сации — потерь в резонаторе. Затем наступает пауза, во время которой населенность верхнего уровня и усиление снова нара­стают, опять начинается генерация и повторяется тот же про­цесс. Характерная длительность каждого импульса излучения составляет примерно 1 мкс, а паузы между импульсами — не­сколько микросекунд. Амплитуды генерируемых импульсов и длительность пауз имеют некоторый разброс из-за неравномер­ности накачки и других причин. Полная длительность процесса излучения обычно составляет сотни микросекунд, полная энер­гия генерации — от десятых долей до десятков джоулей (в за­
висимости от размеров рубинового стержня), а угловая расхо­димость составляет 10—20′.

Режим свободной генерации неудобен для целей измерения расстояний; в дальномерных системах предпочтительно излу­чение одиночных импульсов как можно меньшей длительно­сти, чтобы получить максимальную точность определения даль­ности. Поэтому большой интерес представляют методы получе­ния коротких мощных импульсов излучения.

Самый распространенный из таких методов — работа лазера в специальном режиме, получившем название режима модуля­ции добротности. Впервые этот режим был реализован именно в рубиновом лазере.

Режим модуляции добротности. Строго говоря, данный ре­жим следовало бы называть (и нередко называют) режимом импульсного включения добротности резонатора. Принципи­альная сущность метода состоит в том, что в течение большей части времени излучения лампы накачки, пока нарастает ин­версия населенности и увеличивается коэффициент усиления рубинового стержня, в резонаторе искусственно поддержива­ются большие потери (иными словами, добротность резона­тора— величина, обратная потерям — снижается). Технически это можно сделать, например, введя в резонатор оптический затвор, перекрывающий путь излучению, циркулирующему между зеркалами, как схематически показано на рис. 27. Если затвор полностью закрыт, то потери в резонаторе бесконечно велики (добротность его равна нулю) и генерация лазера не­возможна даже при очень большом коэффициенте усиления ак­тивной среды, так как цепь обратной связи разомкнута. После того как основная часть энергии накачки будет воспринята ак­тивной средой и ее коэффициент усиления приблизится к мак­симально возможному в данных условиях значению, т. е. в конце импульса накачки, затвор мгновенно включается и доб­ротность резонатора резко возрастает, что приводит к возник­новению генерации со стремительно возрастающей амплитудой колебаний. Практически вся энергия, запасенная к этому мо­менту ионами хрома, высвобождается в виде короткого мощ­ного импульса излучения (рис. 28).

В настоящее время разработан и применяется целый ряд за­творов (модуляторов добротности), действие которых осно­вано на различных принципах. Наибольшее распространение получили механические, электрооптические и фототропные за­творы.

Простейшим способом осуществления механического за­твора является вращение с большой скоростью одного из зер­кал резонатора (вокруг оси, параллельной плоскости зеркала), вследствие чего параллельность неподвижного и вращающе­гося зеркал имеет место лишь в течение коротких интервалов времени, а все остальное время резонатор будет сильно разъ — юстирован и потери в нем будут очень большими. В качестве

Рис. 27.

Схема лазера с модуляцией доб­ротности

Рис. 28.

Зависимость мощности излучения лампы накачки и лазера от вре­мени в режиме импульсного включения добротности

вращающегося зеркала обычно используется прямоугольная призма полного внутреннего отражения. Момент включения добротности должен быть синхронизирован с излучением лампы (он должен совпадать с задним фронтом излучаемого ею им­пульса) при помощи специального устройства синхронизации.

Электрооптические модуляторы — затворы с чисто электри­ческим управлением величиной коэффициента пропускания. Подробно принцип действия и параметры электрооптических модуляторов излучения будут рассмотрены в § 12. В момент «открытия» (максимального пропускания) модулятора резко уменьшаются потери в резонаторе и происходит излучение ко­роткого мощного лазерного импульса.

Принцип действия фототропных затворов основан на свой­стве некоторых веществ менять оптическую прозрачность (ко­эффициент пропускания оптического излучения) при изменении плотности мощности потока этого излучения. Иногда такие ве­щества называют насыщающимися фильтрами — при большой плотности потока они как бы насыщаются излучением и стано­вятся прозрачными.

Если такой фильтр поместить в резонатор лазера, то в оп­ределенный момент после включения лампы накачки, когда усиление в активной среде лазера станет достаточно большим, плотность потока излучения в резонаторе быстро достигнет по­рога насыщения фототропного материала, что приведет к бы­строму практически полному «просветлению» фототропного за­твора и высвобождению запасенной в активной среде лазера энергии в виде короткого мощного импульса излучения.

До недавнего времени в качестве материалов для фототроп­ных затворов использовались главным образом растворы орга­нических красителей в жидких растворителях (спирте, ацетоне, нитробензоле). В настоящее время ведется разработка твер­

дых фототропных материалов, и определенные успехи на этом пути уже достигнуты.

Все три указанных выше метода импульсного включения добротности резонатора применительно к рубиновому лазеру дают примерно одинаковые результаты, если иметь в виду па­раметры генерируемых импульсов. Длительность их обычно по­лучается равной 10—20 нс, а излучаемая энергия достигает при оптимальных условиях накачки 0,2—0,3 Дж с каждого кубиче­ского сантиметра объема рубинового стержня.

На базе рубиновых лазеров, работающих в режиме импульс­ного включения добротности, создано немало высокоточных дальномеров. Однако в некоторых случаях длительность им­пульса порядка 10-8 с оказывается все же слишком большой. Даже при мгновенном включении добротности время развития генерации в таком лазере получается в несколько раз больше времени пробега излучения по резонатору «туда и обратно», которое равно 2L/c (L — длина резонатора, с — скорость рас­пространения излучения в резонаторе). Чисто конструктивные соображения не позволяют обычно сделать резонатор короче 20—30 см, а это дает величину 2L/c«2-10-8 с. Поэтому воз­можности сокращения длительности импульса в таких лазерах ограничены. —

Существует, однако, метод генерации лазерных импульсов, длительность которых меньше времени пробега излучения по резонатору. Этот метод получил название «метода (или. ре­жима) синхронизации мод». Не вдаваясь в физическую и мате­матическую трактовку происходящих процессов, ограничимся в данном случае лишь технической стороной дела.

Режим синхронизации мод реализуется обычно посредством введения в резонатор лазера модулятора добротности; в этом отношении он сходен с рассмотренным выше методом импульс­ного включения добротности лазера. Различают два варианта (метода) синхронизации мод — активный и пассивный. При ак­тивном методе в резонатор помещают модулятор добротности, управляемый внешним электрическим сигналом; из рассмот­ренных типов модуляторов таким является электрооптический. Управляющее напряжение, подаваемое на модулятор, имеет, однако, иную форму, чем при импульсном включении доброт­ности: это не короткий импульс, а периодический сигнал (чаще всего синусоидальной формы) с частотой, примерно равной c/2L. Иными словами, период модулирующего сигнала выби­рается примерно равным времени пробега излучения в резона­торе «туда и обратно».

Если параметры резонатора и усиление активной среды ла­зера выбраны так, что поперечное распределение электромаг­нитного поля в сечении генерируемого пучка соответствует низ­шему типу колебаний (волне ТЕМоод), а частотный диапазон, в котором сохраняется достаточное для генерации усиление, значительно превышает частотный интервал между соседними

юз

продольными модами, равный cj2L (см. стр. 97), то, как уже упоминалось, имеет место одновременная генерация неко­торого числа продольных мод. При отсутствии управляющего сигнала на модуляторе добротности эти моды можно рассмат­ривать как самостоятельные, взаимно независимые сигналы. Включение управляющего сигнала делает эту картину строго упорядоченной: все частотные интервалы между модами ста­новятся строго одинаковыми и равными частоте управляющего сигнала — происходит, как принято говорить, синхронизация мод. Можно строго показать математически, что сумма таких «синхронизированных» колебаний представляет собой4 последо­вательность очень коротких импульсов излучения, следующих друг за другом через интервалы времени 2L/ct а длительность каждого импульса определяется соотношением где Avr — полная ширина спектра генерируемых колебаний, взятая по уровню, обеспечивающему выполнение условия гене­рации.

Для рубина при комнатной температуре величина Avr мо­жет иметь порядок 1011 Гц, и, следовательно, длительность им­пульса может достигать 10-11 с, т. е. 10 пс.

Экспериментальная проверка подтвердила, что в таком ла­зере между зеркалами резонатора действительно циркулирует чрезвычайно короткий импульс, часть энергии которого при каждом проходе выводится наружу через полупрозрачное вы­ходное зеркало.

Если для измерения дальности нужен одиночный короткий импульс (моноимпульс), то из генерируемой лазером последо­вательности его можно «вырезать» при помощи другого элек­трооптического затвора, пропускающего излучение лишь в те­чение интервала времени, меньшего 2L/c. Правда, этот одиноч­ный импульс приходится дополнительно усиливать с помощью специальных лазерных усилителей.

Лазер с активной синхронизацией мод, принципиальная схема которого соответствует рис. 27 с той особенностью, что в качестве схемы управления затвором используется генератор модулирующей частоты, оказывается весьма сложным с тех­нической точки зрения прибором, однако позволяет генериро­вать импульсы уникально малой длительности (до разработки метода синхронизации мод получать такие короткие импульсы излучения практически вообще не удавалось), что дает воз­можность резко повысить точность измерения расстояний в тех случаях, когда это необходимо.

Несколько проще реализуется метод пассивной синхрониза­ции мод, при котором в резонатор лазера вводится насыщаю­щийся фильтр (фототропный затвор). Однако при этом генери­руемая последовательность ультракоротких импульсов не так стабильна, как при активной синхронизации, а отсутствие внешнего управляющего электрического сигнала затрудняет синхронизацию работы затвора, «вырезающего» из последова­тельности одиночный импульс. Поэтому в дальномерных систе­мах до сих пор применялся лишь активный метод, хотя по­пытки использовать для этой цели пассивную синхронизацию мод в настоящее время предпринимаются.

Комментарии запрещены.