рефераты бесплатно
рефераты бесплатно
√лавна€
»сторические личности
∆урналистика
«оологи€
»нвестиции
»нформатика
»стори€ техники
 ибернетика
 оммуникаци€ и св€зь
 осметологи€
 риминалистика
 риминологи€
 улинари€
 ультура и искусство
 ультурологи€
ћеждународное публичное право
ћеждународное частное право
ћеждународные отношени€
ћенеджмент
ћеталлурги€
Ќалогообложение
Ќаука и техника
—ельское лесное хоз€йство и землепользование
—оциальна€ работа
—оциологи€ и обществознание
—порт и туризм
—троительство и архитектура
“аможенна€ система
“ранспорт

–еферат: ќптические квантовые генераторы


–еферат: ќптические квантовые генераторы

”спехи, достигнутые при разработке и исследовании кванто≠вых усилителей и генераторов в радиодиапазоне, послужили базой дл€ реализации предложени€ об усилении и генерации света на ос≠нове индуцированного излучени€ и привели к созданию квантовых генераторов оптического диапазона. ќптические квантовые гене≠раторы (ќ √) или лазеры €вл€ютс€ единственными источниками мощ≠ного монохроматического света. ѕринцип усилени€ света с помощью атомных систем был впервые предложен в 1940 г. ¬.ј. ‘абри≠кантом. ќднако обоснование возможности создани€ оптического квантового генератора было дано лишь в 1958 г. „.†“аунсом и ј.†Ўавловым на основе достижений разработок квантовых приборов в радиодиапазоне. ѕервый оптический квантовый генератор был ре≠ализован в I960 г. Ёто был ќ √ с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества. —оздание инверсии населенностей в нем осу≠ществл€лось методом трехуровневой накачки, примен€вшимс€ обыч≠но в парамагнитных квантовых усилител€х.

¬ насто€щее врем€ разработано множество разнообразных оп≠тических квантовых генераторов, отличающихс€ рабочими вещест≠вами (в этом качестве используютс€ кристаллы, стекла, пласт≠массы, жидкости, газы, полупроводники) и способами создани€ ин≠версии населенностей (оптическа€ накачка, разр€д в газах, химические реакции и т.д.).

»злучение существующих оптических квантовых генераторов охватывает диапазон длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, примыкающей к миллиметровым вол≠нам. јналогично квантовому генератору в радиодиапазоне оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: рабочего (активного) вещества, в котором тем или иным способом

создаетс€ инверси€ населенностей, и резонансной системы (рис .62). ¬ качестве последней в ќ √ используютс€ открытые резонаторы ти≠па интерферометра ‘абри - ѕеро, образуемые системой из двух зеркал, удаленных друг от друга.

–абочее вещество осуще≠ствл€ет усиление оптического излучени€ благодар€ индуциро≠ванному испусканию активных частиц. –езонансна€ система, вызыва€ многократное прохо≠ждение возникающего оптиче≠ского индуцированного излуче≠ни€ через активную среду, об≠условливает эффективное вза≠имодействие пол€ с ней. ≈сли рассматривать ќ √ как автоколеба≠тельную систему, то резонатор обеспечивает положительную обрат≠ную св€зь в результате возвращени€ части распростран€ющегос€ между зеркалами излучени€ в активную среду. ƒ€€ возникновени€ колебаний мощность в ќ √, получаема€ от активной среды, должна быть равна мощности потерь в резонаторе иди превышать ее. Ёто эквивалентно тому, что интенсивность волны генерации после про≠хождени€ через усиливающую среду, отражени€ от зеркал -/ и 2 , возвращени€ в исходное сечение должна оставатьс€ неизменной или превышать первоначальное значение.

ѕри прохождении через активную среду интенсивность волны 1^ измен€етс€ по экспоненциальному закону (при пренебрежении насыщением) L, ∞ 1^ ежр [ (ос,^ - b())-c ] , а при отражении от зеркала она измен€етс€ в г раз ( т - коэффициент . отражени€ зеркала), поэтому условие возникновени€ генерации можно запи≠сать как


где L - длина рабочей активной среды; r1 и r2 - коэффициенты отражени€ зеркал 1 и 2 ;  - коэффициент усилени€ активной среды; 0 - посто€нна€ затухани€, учитывающа€ потери энергии в рабочем веществе в результате рассе€ни€ на неоднородност€х и дефектах.


I. –езонаторы оптических квантовых генераторов

–езонансные системы ќ √, как отмечалось, представл€ют со≠бой открытые резонаторы. ¬ насто€щее врем€ наиболее широко при≠мен€ютс€ открытые резонаторы с плоскими и сферическими зерка≠лами. ’арактерна€ особенность открытых резонаторов - их геоме≠трические размеры во много раз превышают длину волны. ѕодобно объемным открытые резонаторы обладают набором собственных ти≠пов колебаний, характеризующихс€ определенным распределением пол€ в них и собственными частотами. —обственные типы колеба≠ний открытого резонатора представл€ют собой решени€ уравнений пол€, удовлетвор€ющие граничным услови€м на зеркалах.

—уществует несколько методов расчета объемных резонаторов, позвол€ющих находить собственные типы колебаний. —трога€ и наи≠более полна€ теори€ открытых резонаторов дана в работах Ћ.ј.¬айв-штейна.* Ќагл€дный метод расчета типов колебаний в открытых резонаторах развит в работе ј.‘окса и “.Ћи.

(113)

¬ ней используетс€. численный расчет, моделирующий процесс установлени€ типов ко≠лебаний в резонаторе в результате многократного отражени€ от зеркал. ѕервоначально задаетс€ произвольное распределение пол€ на поверхности одного из зеркал. «атем, примен€€ принцип √юй≠генса, вычисл€ют распределение пол€ на поверхности другого зер≠кала. ѕодученное распределение принимают за исходное и вычис≠ление повтор€етс€. ѕосле многократных отражений распределение амплитуды и фазы пол€ на поверхности зеркала стремитс€ к ста≠ционарному значению, т.е. поле на каждом зеркале самовоспроиз≠водитс€ в неизменном виде. ѕолученное распределение пол€ пред≠ставл€ет собой нормальный тип колебаний открытого резонатора.

–асчет ј.‘окса и “.Ћи базируетс€ на следующей формуле  ирх≠гофа, €вл€ющейс€ математическим выражением принципа √юйгенса, котора€ позвол€ет находить поде в точке наблюдени€ ј по задан≠ному полю на некоторой поверхности Sb

где Eb - поле в точке B на поверхности Sb; k- волновое чи≠сло ; R - рассто€ние между точками ј и ¬ ; Q - угол между ли≠нией, соедин€ющей точки ј и ¬ , и нормалью к поверхности Sb

(рис.63).

— увеличением числа проходов поде на зеркалах стремитс€ к стационарному распределению, которое можно представить так:

где V(x,у) - функци€ распределени€, завис€ща€ от координат на поверхности зеркал, не мен€юща€с€ от отражени€ к отражению;

у - комплексна€ посто€нна€, не завис€ща€ от пространственных координат.

ѕодставив формулу (112) в выражение (III). получим инте≠гральное уравнение

ќно имеет решение лишь при определенных значени€х [√амма] =[гамма миним.] назы≠ваемых собственными значени€ми, ‘ункции Vmn, удовлетвор€ющие интегральному уравнению, характеризуют структуру пол€ различ≠ных типов колебаний резонатора, которые называют поперечными колебани€ми и обозначают как колебани€ типа “≈ћmn —имвол “≈M указывает на то, что водны внутри резонатора близки к попереч≠ным электромагнитным, т.е. не имеющим составл€ющих пол€ вдоль направлени€ распространени€ волны. »ндексы m и n обозначают число изменений направлени€ пол€ вдоль сторон зеркала (дл€ пр€≠моугольных зеркал) или по углу и вдоль радиуса (дл€ круглых зеркал). Ќа рис.64 показана конфигураци€ электрического пол€ дл€ простейших поперечных типов колебаний открытых резонаторов с круглыми зеркалами. —обственные типы колебаний открытых резо≠наторов характеризуютс€ не только поперечник распределением пол€, но и распределением его вдоль оси резонаторов, которое представл€ет собой сто€чую волну и отличаетс€ числом полуволн, укладывающихс€ по длине резонатора. ƒл€ учета этого в обозна≠чени€ типов колебаний вводитс€ третий ивдекс а , характеризую≠щий число полуволн, укладывающихс€ вдоль оси резонатора.

ќптические квантовые генераторы на твердом теле

¬ оптических квантовых генераторах на твердом теле, или твердотельных ќ √, в качестве активной усиливающей среды ис≠пользуютс€ кристаллы или аморфные диэлектрики. –абочими части≠цами, переходы ме€ду энергетическими состо€ни€ми которых опре≠дел€ют генерацию, как правило, €вл€ютс€ ионы атомов переходных групп ѕериодической таблицы ћенделеева, Ќаиболее часто используютс€ ионы Na3+, Cr3+, Ќо3+, Pr3+ . јктивные частицы состав≠л€ют доли или единицы процента от общего числа атомов рабочей среды, так что они как бы образуют "раствор" слабой концентра≠ции и потому мало взаимодействуют друг с другом. »спользуемые энергетические уровни представл€ют собой уровни рабочих частиц, расщепленные и уширенные сильными неоднородными внутренними пол€ми твердого вещества. ¬ качестве основы активной усиливаю≠щей среды используютс€ наиболее часто кристаллы корунда (Al2O3), иттриево-алюминиевого граната YAG (Y3Al5O12), разные марки стекол и т.д.

»нверси€ населенностей в рабочем веществе твердотельных ќ √ создаетс€ методом, анало≠гичным используемому в парамаг≠нитных усилител€х. ќна осуще≠ствл€етс€ с помощью оптической накачки, т.е. воздействием на вещество светового излучени€ вы≠сокой интенсивности.

 ак показывают исследова≠ни€, большинство существующих в насто€щее врем€ активных сред, используемых- в твердотельных ќ √, удовлетворительно описыва≠ютс€ двум€ основными идеализи≠рованными энергетическими схе≠мами: трех- и четырехуровневой (рис.71).

–ассмотрим вначале метод создани€ инверсии населенностей в средах, описываемых трехуровневой схемой (см.рис.71,а). ¬ нормальном состо€нии заселен лишь нижний основной уровень 1 (энер≠гетическое рассто€ние между уровн€ми значительно больше kT), так как переходы 1Ч>2, и 1Ч>3) принадлежат оптическому диапа≠зону. ѕереход между уровн€ми 2 и 1 €вл€етс€ рабочим. ”ровень 3 вспомогательный и используетс€ дл€ создани€ инверсии рабо≠чей пары уровней. ќн в действительности занимает широкую поло≠су допустимых значений энергии, обусловленную взаимодействием рабочих частиц с внутрикристаллическими пол€ми.

ƒл€ создани€ инверсии рабочее вещество облучают интенсив≠ным светом с частотным спектром, соответствующим переходу меж≠ду уровн€ми >3. — уровн€ 3 атомы переход€т на уровень 2, . Ётот переход, как правило, €вл€етс€ безизлучательным. Ёнерги€ при этом идет на нагревание рабочего тела. ѕри достаточной ин≠тенсивности накачки на уровне 2. удаетс€ получить больше ато≠мов, чем их остаетс€ на основном уровне, т.е. возникает инвер≠си€ населенностей дл€ рабочей пары уровней.

¬ активных средах, описываемых четырехуровневой схемой (см .рис. 71,б), переход 3-2 €вл€етс€ рабочим, верхний уро≠вень так же, как в трехуровневой схеме, представл€ет собой широкую полосу. ¬торой уровень находитс€ от основного на энер≠гетическом рассто€нии, значительно большем kT. ѕоэтому при тер≠модинамическом равновесии он практически не заселен. Ѕольшинство частиц, попавших на уровень 4 , затем переходит безизлучательным путем на уровень 3 , что при соответствующих услови€х приводит к инверсии населенностей дл€ пары уровней 3-2.

¬ четырехуровневой системе по сравнению с трехуровневой легче создать инверсию населенностей, так как нижний рабочий уровень не заселен. ƒл€ этого необходимо перевести незначитель≠ное количество частиц с основного уровн€ на верхний рабочий. ¬ трехуровневой системе дл€ получени€ инверсии требуетс€ пере≠бросить на верхний рабочий уровень с основного по крайней мере половину частиц.

Ќа рис.72, а приведена схема ќ √ на твердом теле. ќна вклю≠чает оптический резонатор, рабочее тело 1 , лампу накачки 2 с отражателем 3 , систему ее питани€ и зажигани€ разр€да. ќпти≠ческий резонатор образован зеркалами r1 и r2. ќбычно в них ис≠пользуютс€ многослойные интерференционные диэлектрические отражающие покрыти€, в которых показатель преломлени€ переменно мен€етс€ от сло€ к слою. —лои нанос€т вакуумным напылением или химическим путем, они имеют толщину, равную четверти длины вол≠ны в диэлектрике на рабочей частоте. — увеличением количества слоев коэффициент отражени€ возрастает. ѕри n=15 и больше он превышает 99%.

»ногда в качестве отражающих покрытий используютс€ сереб≠р€ные пленки, но они позвол€ют получать коэффициент отражени€ не выше 95-96% и в отличие от интерференционных диэлектрических покрытий имеют большое поглощение, а потому часто выгорают в процессе работы. ќдно из зеркал резонатора делаетс€ полупрозрачным дл€ вывода энергии.  оэффициент пропускани€ выход≠ного зеркала выбираетс€ так, чтобы вывести из ќ √ максимальную энергию. ѕри малом коэффициенте пропускани€ будет выводитьс€ лишь незначительна€ дол€ энергии из резонатора. ¬ случае боль≠шого пропускани€ ухудшаютс€ услови€ возбуждени€ колебаний. ѕри некотором пропускании выходного зеркала генераци€ срываетс€, так как не выполн€ютс€ пороговые услови€. ќптимальный коэффи≠циент пропускани€, при котором выводитс€ максимальна€ энерги€ генерации, завис€т от качества кристалла, его длины, энергии накачки. ќптимальное пропускание выходного зеркала дл€ боль≠шинства твердотельных ќ √ составл€ет 20-60%.

–абочее тело выполн€ют в форме стержн€ с хорошо обрабо≠танными торцевыми поверхност€ми, имеющими плоскопараллельную или сферическую форму. “очность отклонени€ обработки торцевых поверхностей от заданной формы лежит в пределах дес€тых долей длины волны. ѕараллельность плоских торцов выдерживаетс€ с точ≠ностью до нескольких угловых минут.

»ногда вместо внешних зеркал используютс€ отражающие по≠крыти€, нанесенные непосредственно на торцы рабочего тела. Ѕо≠кова€ поверхность рабочих стержней частично или полностью де≠лаетс€ матовой, чтобы предотвратить возбуждение типов колеба≠ний, распростран€ющихс€ с отражением от боковых поверхностей.

»нверси€ населенностей в рабочем теле создаетс€ методом оптической накачки.  ак отмечено выше, порогова€ мощность на≠качки имеет величину до сотен ватт на кубический сантиметр ра≠бочего вещества ќ √. —толь высока€ плотность мощности накачки приводит к сильному нагреванию рабочих тел ќ √. Ёто вызывает трудности, часто непреодолимые, в реализации непрерывно≠го режима накачки твердотельных ќ √. ѕоэтому ќ √ на твердом теле, как правило, работают в режиме одиночных или периодиче≠ски повтор€ющихс€ импульсов. »сточником накачки служат газо≠разр€дные лампы. Ќаиболее часто используютс€ импульсные ксено-новые лампы, обладающие наилучшей эффективностью преобразова≠ни€ электрической энергии в световое излучение, спектральный состав которого соответствует лини€м поглощени€ используемых активных сред.

Ћампы конструктивно выполн€ютс€ в виде пр€мой или свитой в спираль трубки с введенными на концах электродами. ƒл€ ини≠циации разр€да в лампах предусматриваетс€ специальный внутрен≠ний или внешний поджигающий электрод. Ћампы и рабочий стержень размещают внутри отражател€, обеспечивающего эффективность пе≠редачи световой энергии накачки в активную среду. ѕри исполь≠зовании спиральных ламп рабочее тело помещаетс€ внутри них, а отражатель, выполн€емый в виде кругового цилиндра, охватывает лампу.

Ѕолее эффективны системы с пр€мыми лампами и отражател€ми в виде эллиптического цилиндра (рис.72, б), обеспечивающего фокусировку излучени€ ламп на рабочий образец. ƒл€ этого рабо≠чее тело и лампы размещаютс€ вдоль фокусных осей цилиндра.(–ис. 72,в иллюстрирует систему, в которой содержатс€ несколько ламп и одно рабочее тело.) —толь же эффективной оказываетс€ более проста€ система, в которой лампа и активное тело наход€тс€ р€≠дом внутри узкого отражател€ с круглым или овальным сечением. ќтражатель выполн€етс€ из серебр€ной или алюминиевой фольги. ¬ конструкци€х систем накачки очень часто предусматриваютс€ ох≠лаждение рабочего тела и ламп путем обдува их воздухом ахи об≠текани€ хладоагентом.

ѕитание ламп осуществл€етс€ от батареи конденсаторов о (см.рис.72,а ), зар€жаемых часто от сети переменного напр€же≠ни€ через повышающий трансформатор “р. и выпр€мительный эле≠мент ƒ. . Ќормальное напр€жение зар€да конденсаторов должно быть меньше напр€жени€ самопробо€ импульсной лампы накачки. «а≠жигание разр€да в лампе осуществл€етс€ подачей на поджигапщий электрод высоковольтного инициирующего импульса от управл€ющей схемы. Ќа рис.72,а последн€€ состоит из конденсатора — , за≠р€жаемого от сети через диод ƒ2, тиратрона с холодным катодом и импульсного трансформатора “р1. ѕри замыкании кнопки   ти≠ратрон зажигаетс€, конденсатор с разр€жаетс€ через первичную обмотку трансформатора и на вторичной обмотке по€вл€етс€ высо≠ковольтный импульс.

–убиновые ќ √

Ѕыли первыми практически осу≠ществленными оптическими квантовыми генераторами. ¬ насто€щее врем€ ќ √ на рубине - наиболее распространенные и широко ис≠пользуемые в практике. Ёто объ€сн€етс€ следующими достоинства≠ми рубиновых ќ √: излучение происходит в удобном спектральном диапазоне (в видимой области), обеспечиваетс€ больша€ Ёнерги€ генерации, рубиновые кристаллы легко получить высокого качест≠ва, они имеют высокую прочность и не требуют охлаждени€ –убив представл€ет собой кристалл корунда јl203,в котором часть ио≠нов Al3+ замещена трехвалентными ионами хрома —г3- јктивными частицами, определ€ющими генерацию, €вл€ютс€ ионы хрома. ¬ ќ √ используют кристаллы розового рубина о массовой концентрацией —r2ќ3 относительно Al2O3 , примерно равной 0,05 массы что составл€ет 1,6*1019 ионов хрома в I см3.

Ќа рис.73 приведена система нижних энергетических уровней ионов хрома. ќна существенно отличаетс€ от системы уровней сво≠бодных ионов, что св€зано со взаимодействием ионов с сильными

пол€ми кристаллической решетки. ќбозначени€ уровней, приведен≠ные на рис.73, заимствованы из теории групп, котора€ использу≠етс€ при расчете, и не св€заны непосредственно с прин€тыми обо≠значени€ми уровней свободных ионов. –абочим €вл€етс€ переход 2->4ј2. —осто€ние 2≈ €вл€етс€ метастабильным. ѕри комнатной температуре его врем€ жизни составл€ет около 3 мс. ”ровень 2E в действительности состоит из двух подуровней и 2ј , раз≠деленных промежутком 29 см-1. ѕереходы с этих подуровней в основное состо€ние 4ј2 соответствуют лини€м излучени€ света R1 и R2 с длиной волны 694,3 и 692,9 нм при температуре 300∞—.

”ровень 4F2 состоит из шести подуровней, которые из-за неоднородности кристаллического пол€ настолько уширены, что пе≠рекрывают друг друга, превраща€ его в полосу. ”ровень 4F1 так≠же представл€ет собой полосу (см.рис.73).

ќбычно генераци€ происходит на R1 -линии, дл€ которой легче реализуютс€ пороговые услови€. Ёто св€зано с тем, что между ионами, наход€щимис€ на подуровн€х и 2-4 , ответствен≠ных за линии ^ и Rn , существует интенсивный обмен. ¬ результате населен≠ности подуровней и устанавливаютс€ в соответствии с законом Ѕольцмана и нижний подуровень имеет большую насе≠ленность. ¬озникновение генерации на частоте R1 - линии пред≠отвращает возбуждение генерации на R2-линии, так как интен≠сивные релаксационные процессы вызывают переход ионов с 2A на и населенность уровн€ не может достигнуть порогового значени€.

–убиновые ќ √ работают, как правило, в режиме разовых и периодических импульсов. »меютс€ лишь отдельные разработки ге≠нераторов непрерывного действи€. ƒл€ рубиновых ќ √ характерна длительность импульсов пор€дка миллисекунд, частота следова≠ни€ обычно не превышает сотни герц. ≈е ограничивает нагревание кристалла и ламп накачки.

¬ажной характеристикой импульсного твердотельного ќ √ €в≠л€етс€ порогова€ энерги€ накачки. ѕод ней понимают минималь≠ную величину энергии питани€ ламп за одну вспышку, при кото≠рой возникает генераци€. ѕорогова€ энерги€ накачки зависит от размеров кристалла, его температуры, типа используемой лампы, конструкции системы накачки, добротности резонатора и т.д.

ќбычно порогова€ энерги€ рубиновых ќ √ составл€ет дес€тки и coтни джоулей. — увеличением энергии накачки энерги€ ќ √ ограни≠чиваетс€ возможност€ми системы накачки, размерами кристалла, его качеством, световой прочностью зеркал и другими факторами.

¬ ќ √ с кристаллом диаметром 2 см и длиной 30 см генери≠руема€ за импульс энерги€ достигает дес€тков джоулей. ѕри дли≠тельности импульса ~ I мс пикова€ мощность генерации составл€≠ет дес€тки киловатт. ¬ ќ √ о модулированной добротностью (бу≠дут рассмотрены далее) импульсна€ мощность достигает дес€тков и более мегаватт.  оэффициент полезного действи€, определ€емый как отношение излучаемой энергии ќ √ к потребл€емой им элек≠трической энергии, дл€ рубиновых ќ √ равен единицам процентов. ћалый  ѕƒ св€зан во многом с низкой эффективностью системы на≠качки. »спользуемые в насто€щее врем€ импульсные газоразр€дные лампы накачки преобразуют в свет около 50% потребл€емой элек≠трической энергии. ѕримерно 30% световой энергии ламп, т.е. 15% электрической энергии, соответствует полосам поглощени€ рубина. ќптическа€ часть системы накачки обеспечивает передачу в рубин приблизительно 00% полезной энергии. “ак что реально всего не≠сколько процентов расходуемой электрической энергии идет непо≠средственно на накачку рубина.

»

»злучение рубиновых ќ √ в зависимости от времени имеет сложный "пичковый" характер. ¬ пределах каждого импульса накач≠ки обычно оно представ≠л€ет собой хаотический набор разных по ампли≠туде пичков, всплесков интенсивности генерации с длительностью и ин≠тервалом между ними по≠р€дка микросекунд.

Ќа рис.75 приведе≠ны осциллограммы интен-сивностей накачки (а) и выходного излучени€ (б).

Ќа характер этого режима вли€≠ют многие факторы, в частности конфигураци€ резонатора, рас≠пределение интенсивности накачки по объему кристалла, его тем≠пература, однородность и т.д. “ак, эксперимент показывает, что хаотичность пульсации излучени€ значительно уменьшаетс€ вплоть до регул€рного следовани€ пичков при использовании в ќ √ от≠крытых резонаторов, характеризующихс€ большим числом высоко-добротных типов колебаний (например, резонатора с одинаковыми сферическими зеркалами, расположенными на рассто€нии, меньшем их удвоенного радиуса кривизны). ѕолучению режима регул€рных пульсации излучени€ способствует также однородное распределе≠ние интенсивности накачки в рабочем кристалле и понижение его

температуры.


¬ажной характеристикой работы ќ √ €вл€етс€ картина рас≠пределени€ пол€ по площади сечени€ выходного пучка. ќна опре≠дел€ет диаграмму направленности выходного излучени€. ћинималь≠на€ ширина диаграммы направленности соответствует основному поперечному “≈ћ00q типу колебаний. ¬ случае использовани€ пло≠ских круглых зеркал ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности дл€ “≈ћ00q типа равна “ = 0,63 Ћ/d рад ( d - диаметр п€тна на зеркале; Ћ - длина волны). ѕри d = I см, Ћ = 0,6943 мкм “ = 4Ђ10~4 рад, т.е. примерно 1,5'. ѕракти≠чески ширина диаграммы излучени€ дл€ рубиновых ќ √ превышает величину, вычисленную по этой формуле, раз в дес€ть .—толь срав≠нительно больша€ ширина диаграммы направленности св€зана с воз≠буждением высших типов колебаний, оптическим несовершенством реальных рубиновых кристаллов (наличием в них центров рассе€≠ни€ и градиентов преломлени€ по площади сечени€ образца). –ас≠пределение пол€ по площади зеркала часто имеет весьма сложную мозаичную картину, котора€ в процессе генерации мен€етс€ от пичка к пичку.

»злучение рубиновых ќ √ обычно частично иди полностью по≠л€ризовано. ѕол€ризаци€ излучени€ определ€етс€ анизотропией рубиновых кристаллов, и ее характер зависит от угла ориентации оптической оси кристалла относительно геометрической оси стер≠жн€, вдоль которой распростран€етс€ свет в резонаторе. ќбычно используютс€ рубиновые стержни с ориентацией оси 60 или 90∞. »злучение в ќ √ с такими стержн€ми имеет линейную пол€ризацию с электрическим вектором, перпендикул€рным плоскости, в кото≠рой лежат оптическа€ ось ж ось стержн€. ¬ ќ √ с кристаллом 0-градусной ориентации излучение непол€ризовано.

ќптические к вантовые генераторы на стекле


јктивированном неодимом, наход€т такое же широкое распространение, как рубиновые.Ёто обусловлено до≠стоинствами стекла: простотой изготовлени€ образцов больших размеров (до нескольких сантиметров в диаметре и длиной до ме≠тра и более), высокой оптической однородностью, возможностью введени€ рабочих частиц в необходимых концентраци€х с равно≠мерным распределением по объему.

Ќедостатком стекла €вл€етс€ низка€ теплопроводность, что затрудн€ет создание генераторов большой средней мощности и ограничивает его работу режимом одиночных импульсов.


—редн€€ мощность в импульсе генерации достигает единиц мега≠ватт.  оэффициент полезного действи€ таких генераторов состав≠л€ет доли процента, их выходное излучение, так же как и у ру≠биновых ќ √, носит пичковый характер. Ўирина спектра излучени€ при больших уровн€х накачки достигает 20 нм. »злучение ќ √ на неодимовом стекле непол€ризовано. Ёто св€зано с хаотической ориентацией ионов неодима и оптической однородностью стекла.

”глова€ расходимость выходного луча ќ √ на неодимовом стек≠ле достигает обычно единиц угловых минут, что значительно мень≠ше величины расходимости излучени€ рубиновых ќ √. Ёто обуслов≠лено более высокой оптической однородностью стекла.


√азовые оптические квантовые генераторы

¬ газовых ќ √, как следует из названи€, активной усиливающей средой €вл€етс€ газ. –абочими частицами, переходы между энергетическими состо€ни€ми которых определ€ют генерацию, слу≠жат атомы, ионы или молекулы. ¬ соответствии с этим говор€т об атомных, молекул€рных и ионных ќ √.

¬ насто€щее врем€ предложено множество методов создани€ инверсии населенвостей в газовых средах, использувдих электри≠ческий разр€д, энергию химических реакций, оптическую накачку и т.д.

Ќаиболее часто инверси€ в газовых ќ √ осуществл€етс€ в ре≠зультате электрического разр€да, создаваемого непосредственно в самой рабочей среде. ќсновными механизмами, привод€щими к из≠быточной населенности верхних энергетических уровней в газоразр€дных ќ √, €вл€ютс€ следующие процессы:

I. Ќеупругие столкновени€ электронов с частицами газа (со≠ударени€ первого рода), сопровождаемые передачей кинетической энергии движени€ электронов частицам, которые переход€т в воз≠бужденное состо€ние. —имволически такой процесс обозначают

—оударени€ первого рода привод€т не только к пр€мому возбужде≠нию, но и определ€ют ступенчатое возбуждение частиц. ѕри не-yupyl'их столкновени€х электрона е с возбужденной частицей ј* последн€€ переводитс€ в более высокое энергетическое состо€≠ние ј**:

ѕроцессы возбуждени€ частиц путем электронных неупругих соуда≠рений первого рода играют основную роль во всех газоразр€дных ќ √.

2. —оударени€ второго рода между разнородными атомами сме≠си двух газов. ѕри соударении атомов, один из которых - ј* -наход€тс€ в возбужденном состо€нии, а другой - ¬ - в основ≠ном, происходит передача возбуждени€ от первого атома ко вто≠рому. ѕри этом первоначально возбужденный атом переходит в ос≠новное состо€ние, а партнер по соударению - в возбужденное со≠сто€ние :

Ётот процесс происходит эффективно лишь в случае, когда энер≠гии возбужденных состо€ний взаимодействующих атомов совпадают с точностью до величин пор€дка kT ( “ - температура газовой смеси). ѕримером газового оптического квантового генератора, в котором используетс€ механизм, описываемый формулой (122), €вл€етс€ широко используемый гелий-неоновый ќ √.

3. Ќеупрутие атомно-молекуд€рные соударени€, привод€щие к диссоциации молекул с переходом одного из атомов в возбуж≠денное состо€ние


Ќа рис.80 показано схематическое устройство газового ќ √. ќн состоит из двух основных частей: открытого резонатора, образованного зеркалами 3^ и 3^ , и газоразр€дной камеры, напол≠ненной рабочей смесью He-Ne .

√азоразр€дна€ камера представл€ет собой кварцевую или стекл€нную трубку (обычно длиной от 1,5+2 дм до 1,&г2 м и диа≠метром до &т8 мм), с торцов закрытую плоскопараллельными опти≠ческими окнами, наклоненными под углом Ѕрюстера к оси трубки. “акие окна имеют пренебрежимо малые потери энергии на отраже≠ние дл€ волны, пол€ризованной в плоскости падени€, и практиче≠ски делают невозможной генерацию излучени€, пол€ризованного в перпендикул€рной плоскости.

»ногда зеркала укрепл€ют на концах газоразр€дной трубки. ќднако такое расположение зеркал значительно усложн€ет конст≠рукцию вакуумной части ќ √ (необходимо использовать сильфоны дл€ юстировки зеркал) и создает технические трудности дл€ сме≠ны зеркал, изменени€ рассто€ни€ между ними, введени€ в резона≠тор дополнительных элементов (диафрагм, линз и т.п.). ѕоэтому конструкции ќ √ с внутренними зеркалами примен€ютс€ редко и главным образом тогда, котаа необходимо получить генерацию с произвольной пол€ризацией излучени€.

√азоразр€дна€ трубка наполн€етс€ рабочей смесью гели€ и неона с общим давлением ^-10^ ѕа. ѕеред напуском рабочей смеси производ€т тщательную откачку с интенсивным нагреванием трубки. ƒл€ устранени€ оставшихс€ после откачки и выдел€ющихс€ в про≠цессе работы газов перед отпайкой в трубку ввод€т геттер обыч но барий), активно поглощающий кислород, водород, азот и дру≠гие газы, но не вступающий в соединение с гелием и неоном.

»сследовани€ показывают, что усиление активной среды в гелий-неоновом ќ √ невелико и составл€ет несколько процентов на метр (например, дл€ перехода 3s о -2рц с Ћ, = 0,6328 сто€ оно не превышает ј% на метр, дл€ перехода 2Sn -2рц с ƒ= I, 152 мкм - 12%). ѕоэтому в резонаторах гелий-неонового ќ √ прихо≠дитс€ использовать зеркала с коэффициентом отражени€, близким к единице и отличающимс€ от нее на доли и единицы процентов. ѕри-мен€ютс€ главным образом зеркала с интерференционными покрыти≠€ми. ћалый коэффициент усилени€ активной среды налагает жест≠кие требовани€ на точность юстировки зеркал резонатора. “ак, в случае резонатора с плоскими зеркалами непараллельность их все≠го в несколько угловых секунд существенно сказываетс€ на вы≠ходной мощности. «начительно меньше завис€т от юстировки резо-иаторы со сферическими зеркалами. ќбычно поворот сферических зеркал от оптимального положени€ в пределах нескольких угловых минут мало вли€ет на величину выходной мощности ќ √. ѕоэтому в болышнстве газовых ќ √ используют резонаторы со сферическими зеркалами.

ƒл€ возбуждени€ газовой смеси используют либо разр€д на посто€нном токе, либо высокочастотный разр€д. ¬ первом случае в газоразр€дную трубку, как показано на рис.80, ввод€т электроды - катод ў, анод ('?). Ќапр€жение питани€ со≠ставл€ет в зависимости от длины разр€дного промежут≠ка величину от нескольких сотен вольт до двух-трех киловольт,ток разр€да - не≠сколько дес€тков миллиампер, ¬ысокочастотный разр€д воз≠буждаетс€ радиочастотным генератором с мощностью от дес€тков до сотен ватт, на≠пр€жение от которого подводитс€ к внешним кольцевым электро≠дам, накладываемым на трубку.

ћощность генерации ќ √ зависит от парциальных давлений ге≠ли€ и неона, размеров газоразр€дной трубки, от тока (мощности) разр€да. Ќа рис.81 представлена зависимость мощности генерации р от давлени€ гели€ при различных давлени€х неона.ћощность генерации растет с увеличением парциального давлени€ гели€ и неона, достига€ максимума при общем давлении,, близком к 100 ѕа, и затем уменьшаетс€. –ост мощности с давлением гели€ объ€сн€≠етс€ увеличением концентрации его атомов, наход€щихс€ в мета-стабильном состо€нии, что благодар€ процессу резонансной пере≠дачи энергии атомам неона, описываемому формулой (123), ведет к росту инверсии населенностей рабочей среды и, следовательно, мощности генерации. ѕри больших давлени€х газовой смеси врем€ свободного пробега электронов снижаетс€ настолько, что они не успевают достаточно ускоритьс€ в электрическом поле и приобре≠сти необходимую энергию. ѕоэтому эффективность возбуждени€ ато-мов уменьшаетс€. ћощность генерации существенно зависит от со≠отношени€ парциальных давлений гели€ и неона в газовой смеси.  ак показывают исследовани€, дл€ генерации на переходе 3$^ --Ч 2/Dn с /I = 0,6328 мкм оптимальное соотношение дл€ неона и Х гели€ равно I : 5, а дл€ перехода 25^Ч2^ с Ћ-= 1,15 мкм оно равно I : 10 при общем давлении смеси около 100 ѕа.

¬ажным вопросом получени€ максимальной выходной мощности €вл€етс€ выбор оптимального диаметра газоразр€дной трубки. — одной стороны, увеличение диаметра трубки, а значит, и объема активной среды должно приводить к росту мощности генерации. — другой - чрезмерное увеличение диаметра трубки ведет к умень≠шению инверсии населенностей рабочей пары уровней. Ёто св€зано с тем, что в процессе генерации опустошение нижнего рабочего уровн€ 2рь происходит посредством каскадных переходов на ме-тастабильный уровень Is , с которого атомы возвращаютс€ в ос≠новное состо€ние, главным образом под вли€нием соударений со стенками трубки. „ем больше радиус трубки, тем больше врем€ диффузии атомов неона к стенкам, а значит, врем€ их жизни в состо€нии is . ¬ результате на уровне is скашиваютс€ атомы, откуда они в результате электронного возбуждени€ переход€т в состо€ние и «р , уменьиа€ инверсию населенностей. Ёкспери≠ментально установлено, что дл€ трубок длиной I м оптимальный диаметр составл€ет 7-8 мм. ƒл€ трубок меньшей длины он полу≠чаетс€ соответственно меньше.

Ќа рис.82 приведена типич≠на€ дл€ гелий-неонового ќ √ за≠висимость выходной мощности

^вых от тока –вар¬ƒЃ I (мощ≠ности разр€да). ’арактер этой

зависимости полностью определ€≠етс€ механизмом возбуждени€ ге≠лий-неоновой смеси. — увеличе≠нием разр€дного тока возрастает концентраци€ электронов в плаз≠ме и увеличиваютс€ населенности всех возбужденных состо€ний ато≠мов гели€ и неона, особенно 2s-и 35-состо€ний, благодар€ про≠цессу, описываемому формулами

(123). ѕоэтому мощность генера≠ции с увеличением тока растет. ѕо мере дальнейшего возрастани€ тока рост инверсии из-за интенсивного заселени€ нижних рабочих

уровней и «р в результате процесса ступенчатого возбуж≠дени€ через метаотабилъный уровень Is, описываемого формулами

(124), начинает замедл€тьс€. ѕри больших разр€дных токах (> 100 мј) концентраци€ атомов неона в долгоживущем метаста-бильном состо€нии is становитс€ настолько высокой, что сту≠пенчатое заселение уровней 2р и «р приводит к уменьшению инверсной заселенности рабочей пары уровней, и мощность гене≠рации падает.

ќптимальна€ величина тока разр€да дл€ разных ќ √ находит≠с€ в диапазоне 20*80 мј. »сследовани€ показывают, что в опти≠мальном режиме удельна€ мощность (мощность с единицы длины раз≠р€дной трубки) генерации составл€ет 30 м¬г/м дл€ перехода 3Sn-- 2pq ( Ћ- = 0,6328 мкм), 50 м¬т/м дл€ перехода 25g -2рц (Ћ, = = 1,152 мкм) и 100 м¬т/м дл€ перехода «а^ - «рц ( Ћ/ =3,394мий).

 оэффициент полезного действи€ гелий-неонового ќ √ состав≠л€ет доли процента. —толь низкий  ѕƒ объ€сн€етс€ малой кванто≠вой эффективностью рабочих переходов атомов неона и несовер≠шенством процесса возбуждени€ их.  вантова€ эффективность ра≠бочего перехода - это отношение энергии излучаемого фотона к энергии, котора€ сообщаетс€ частице дл€ возбуждени€ ее до верхнего рабочего уровн€. »ными словами, квантова€ эффективность по≠казывает , кака€ дол€ энергии,затраченна€ на возбуждение частиц, переходит в энергию генерации. ќчевидно, что квантова€ эффек≠тивность рабочего перехода определ€ет теоретическое предельное значение  ѕƒ ќ √. ƒл€ атомэв неона энерги€ верхнего рабочего уровн€ составл€ет 20 а¬, а энерги€ фотона генерации с ƒ=0,6328 мкм равна 2 э¬. ѕоэтому квантова€ эффективность т?д„ Ђ 10?. “а≠ким образом, в когерентное излучение может быть преобразовано лишь 10% общей энергии, сообщенной атому.

— другой стороны, в процессе возбуждени€ атома Afe до верх≠него рабочего уровн€ эффективно могут участвовать только те электроны, энерги€ которыг превышает 20 э¬. “ак как в гелий-неоновой плазме наиболее аеро€тна€ энерги€ электронов состав≠л€ет 6+8 а¬, то дл€ возбуждени€ верхнего рабочего уровн€ ис≠пользуетс€ лишь небольша€ часть энергии, затрачиваемой на под≠держание газового разр€да. ѕоатому  ѕƒ гелий-неонового ќ √ зна≠чительно меньше квантовпй эффективности и составл€ет доли про≠цента .

—пектр излучени€ гелий-неонового ќ √ состоит из отдельных . линий, соответствующих продольным к поперечным типам колебаний используемого открытого резонатора. ќбща€ ширина спектра гене≠рации определ€етс€ шириной линии усилени€ активной среды ќ √. Ћини€ усилени€ активной среды гелий-неонового ќ √ определ€етс€ эффектом ƒоплера, и ее ширина ƒ-^у растет с увеличением ин≠тенсивности накачки. ƒл€ перехода с Ћ/ = 0,6328 мкм она дости≠гает 2000 ћ√ц, дл€ ^ = 1,152 мкм Ai)^ї 1000 ћ√ц, дл€ Ћ = = 3,394 мкм ƒг?,, йг 400 ћ√ц. ѕри длине резонатора I м в ќ √ мо≠жет генерироватьс€ на ^ = 0,6328 мкм до 10+12, на Ћ.=1,]5мкм - до 5-6 продольных типов колебаний.

ѕримен€€ специальные методы селекции типов колебаний (см. І 5 гл.17), можно получить генерацию в гелий-неоновом ќ √ на одной частоте.

јргоновый ќ √. ¬ отличие от атомных ќ √, к которым от≠носитс€ рассмотренный гелий-неоновый ќ √ и в которых используют≠с€ переходы между возбужденными состо€ни€ми атомов, в ионных ќ √ рабочий переход соответствует возбужденным уровн€м ионов. »онный ќ √ в насто€щее врем€ - один из наиболее мощных газовых ќ √, излучение которых лежит в видимой области спектра. Ёто св€зано с особенност€ми структуры энергетических уровней ионов и механизмом создани€ инверсии населенностей.

»нверси€ населенЧ ностей в ионных ќ √ осуществл€етс€ газовым разр€дом. “ак как рабочими частицами в них €вл€ютс€ ионы, то газова€ плазма раз≠р€да должна быть высокоионизированной. ѕоэтому в ионных ќ √ используетс€ дуговой разр€д, отличающийс€ повышенной степенью ионизации.

’арактерным пред≠ставителем ионных ќ √ служит аргоновый ионный ќ √, наиболее изученный и разработанный в на≠сто€щее врем€. ƒавно на≠лажен их промышленный выпуск.

–ассмотрим меха≠низм возбуждени€ арго≠новых ионных ќ √. Ќа рис. 83 приведена упрощенна€ диаграмма нижних состо≠€ний ионов аргона.¬ ос≠новном.состо€нии атом

ƒр имеет электрон≠ную конфигурацию fs^Ss^p-Ss-S^6. ѕервое возбужденное

состо€ние атома јг соответствует переводу одного из внеш≠них электронов на 4 д -оболочку. ѕри однократной ионизации получаетс€ конфигураци€ issХг,sгХг.pG«sг'«p5, которой соответ≠ствуют два уровн€. ѕеревод одного из электронов с «р -оболоч≠ки иона аргона на оболочку ^ дает п€ть энергетических уров≠ней, а возбуждение электрона с «р -оболочки на -оболочку ведет к образованию 13 уровней.

√енераци€ в аргонных ќ √ осуществл€етс€ на переходах меж≠ду состо€ни€ми иона јг''' с электронной конфигурацией «р^4р и «/^з. »нверси€ населенностей обеспечиваетс€ процессами сту≠пенчатого электронного возбуждени€ и разным временем жизни верх≠них и нижних рабочих уровней. ¬ аргоновой плазме с большой эф≠фективностью идет процесс образовани€ возбужденных атомов и ио≠нов посредством электронных соударений:

ƒалее повторные соударени€ с электронами привод€т к образова≠нию возбужденных ионов с электронными конфигураци€ми «р^р и

 роме того, рабочие уровни засел€ютс€ в результате ступенча≠тых переходов через уровни состо€ний ионов с электронной кон≠фигурацией 3p^d и «р^д (эта система уровней на рис.83 не изображена).

 ак показывают исследовани€, скорость заселени€ верхних и нижних уровней одинакова. »нверси€ населенностей образуетс€ лишь вследствие того, что врем€ жизни уровней «р^р примерно в 25 раз выше, чем врем€ жизни уровней 3p^4s. Ќижние рабочие уровни «р^д опустошаютс€ вследствие спонтанных переходов в основное состо€ние ионов с излучением в ультрафиолетовой ваку≠умной области. Ќаибольша€ инверси€ населенностей получаетс€ дл€ переходов ^ р ^^ -* 4s г?^.

Ќа рис.84, о. приведена схема аргонового ќ √. ќн отличает≠с€ от гелий-неонового ќ √ лишь конструкцией газоразр€цной труб≠ки.  ак уже отмечалось, в ионных ќ √ используетс€ сильноточный дуговой разр€д, обеспечивающий высокую степень ионизации газа. ƒл€ генерации необходима плотность тока разр€да до нескольких сотен ампер на I см~. –азр€д происходит в узкой капилл€рной трубке 3 , охлаждаемой водой 1 . –абочее давление аргона в раз≠р€дном капилл€ре устанавливаетс€ в несколько дес€тков паокалей. Ёлектроды трубки должны быть рассчитаны на разр€дные токи до сотен ампер и иметь высокую стойкость к электронной и ионной бомбардировке. јнод обычно охлаждают водой. „асто примен€ют в таких ќ √ оксвдные катоды 5 . ’орошо зарекомендовали себ€ также импрегнированные катоды, представл€ющие собой пористую


вольфрамовую губку, пропитанную алюминатом бари€ или кальци€. “акие катоды обладают большой удельной эмиссией, превышающей во много раз оксвдные катоды. ќни не тер€ют своей эмиссионной способности при многократных нарушени€х вакуума в трубке.

ѕри мощном дуговом разр€де происходит процесс перекачки газа от анодного конца трубки к катодному, в результате чего образуетс€ перепад давлени€ и разр€д гаснет. ƒл€ выравнивани€ давлени€ по длине капилл€ра катодную и анодную колбы соедин€≠ют обводным каналом 6 , обеспечивающим свободную циркул€цию газа.

–азр€дный капилл€р должен выдерживать высокие тепловые нагрузки (сотни ватт на квадратный сантиметр) и ионную бомбар≠дировку.  апилл€р часто выполн€етс€ из кварца. ќн термостоек, имеет хорошие электроизол€ционные свойства и устойчив к эро≠зии. »зготовление разр€дных трубок из кварца не представл€ет технологических трудностей. ќбычно используют разр€дные труб≠ки диаметром до I5+20 мм и длиной от 10 см до несколь≠ких метров. —ущественный недостаток кварца - мала€ теплопро≠водность . ќна позвол€ет доводить плотность разр€дного тока толь≠ко до сотен ампер на I си2 в ќ √ непрерывного действи€.  варцевые капилл€ры пока не обеспечивают длительную работу ќ √ при больших мощност€х. —рок службы кварцевых капилл€ров достигает нескольких сотен часов. ѕри плотност€х тока 500 ј/см и более кварцевые капилл€ры практически непригодны дл€ работа. ¬ этом случае в качестве материала дл€ разр€дных капилл€ров использу≠ют различную тугоплавкую керамику и анодированный алюминий.

–азр€дные капилл€ры из керамики значительно долговечнее, обладают более высокой теплопроводностью, чем плавленный кварц.

ѕроблема создани€ стойких разр€дных трубок дл€ аргоновых ќ √ во многом решаетс€ путем использовани€ секционированных разр€дных трубок, состо€щих из металлических шайб 7 тугоплав≠кого материала (молибдена, тантала, графита, керамики из окиси берили€), разделенных диэлектрическими изол€ционными кольцами 8 (из кварца, резины) (рис.84, (у). ¬ р€де стран промышленно≠стью выпускаютс€ ќ √ с капилл€рами из тугоплавких керамик и секционированными разр€дными трубками мощностью 3+10 ¬т и выше. —рок службы их достигает нескольких тыс€ч часов.

ћногочисленные исследовани€ ионных аргоновых ќ √ привели к оригинальному решению проблемы создани€ дугового разр€да вы≠сокочастотными пол€ки. Ќа рис.85 приведена схема аргонового ќ √ с высокочастотным питанием < . «амкнута€ кольцева€ трубка 2 ќ √ служит как бы одновитковой вторичной обмоткой высокочас≠тотного трансформатора 3 . ƒл€ питани€ используетс€ генератор с частотой в несколько мегагерц. ¬ысокочастотное возбуждение имеет следующие достоинства: снижаетс€ эрози€ кварцевого капилл€ра, отсутствует жестчение газа, существенно уменьшаютс€ шумы в излучении. ”меньшение эрозии, по-видимому, св€зано с тем, что ионы не успевают приобрести значительную скорость при движении в высокочастотном поле. ¬ ќ √ с высокочастотным воз≠буждением нет металлических электродов, что позвол€ет исполь≠зовать в них химически активные газы (в таком разр€де получе≠на генераци€ на ионах мышь€ка, брома, селена).

ѕрактически в большинстве ионных аргоновых ќ √ использу≠етс€ наложение внешнего продольного магнитного пол€ на разр€д, привод€щее к существенному увеличению мощности генерации. ћаг≠нитное поле создаетс€ соленоидами (см.^| на рис.84,а) или посто€нными магнитами. ќно прижимает разр€д к оси трубки,.уве-личивает концентрацию электронов в центре капилл€ра, уменьша≠ет поток зар€женных частиц на его стенки. ѕоследнее уменьшает тепловые нагрузки на капилл€р и увеличивает тем самым срок его службы.Ќапр€женность магнитного пол€ имеет величину пор€дка 10∞ ј/м.

¬ажное значение при эксплуатации и разработке аргоновых ќ √ имеет определение их оптимального режима работы, соответ≠ствующего наибольшей выходной мощ≠ности. ћощность генерации 'зависит от силы тока разр€да, давлени€ га≠за, размеров разр€дного капилл€ра, величины напр€женности магнитного пол€ и т.д.

Ќа рис.86 приведена зависи≠мость выходной мощности ќ √ с раз≠р€дной трубкой диаметром 10 мм от давлени€ аргона при разных величи≠нах разр€дного тока. »з рисунка видно, что существует оптимальное давление, соответствующее макси≠мальной мощности. ѕри малых давле-ни€х концентраци€ ионов незначительна и мощность излучени€ оказываетс€ небольшой. ѕри больших давлени€х концентраци€ ио≠нов велика, но мала длина свободного пробега электронов и, сле≠довательно, мала их энерги€. Ёто ведет к снижению эффективно≠сти возбуждени€ ионов при соударени€х с электронами, вследст≠вие чего инверси€, а значит, и мощность излучени€ получаютс€незначительными. ¬еличина оптимального давлени€ зависит от ди≠аметра разр€дной трубки. ќна растет с уменьшением диаметра. Ёкспериментально установлено, что величина оптимального дав≠лени€ рот в зависимости от диаметра трубки d определ€етс€ при jd = 100 ј/см ( j - плотность тока разр€да) соотношением –опт = 6,5ct ~^, здесь d выражено в сантиметрах. ƒл€ реаль≠но используемых трубок d = 0,1+1,5 см, ру^ = 100+4 ѕа.

ћощность генерации при токах выше порогового значени€ растет пропорционально квадрату силы тока.  вадратична€ зави≠симость мощности от тока характерна дл€ всех аргоновых ќ √. ќна объ€сн€етс€ ступенчатым процессом механизма возбуадени€ ионов из основного состо€ни€ атомов. Ћишь при очень больших плотност€х тока ('>1000 ј/см^) мощность излучени€ с увеличе≠нием силы тока перестает расти, наступает насыщение и далее мощность уменьшаетс€. ќднако такого режима трудно достигнуть из-за разрушени€ разр€дных капилл€ров. Ќасыщение мощности из≠лучени€ с ростом оиды тока, по-ввдимому, св€зано с эффектом пленени€ излучени€. »нверси€ населенностей, как было уже по≠казано, в аргоновых ќ √ обеспечиваетс€ в результате опустоше≠ни€ нижнего рабочего уровн€ 3^48 интенсивными спонтанными переходами ионов в основное ионное состо€ние. —понтанное из≠лучение, распростран€€сь в плазме, частично поглощаетс€ не-возбухденными ионами, что приводит к переводу их с уровн€ «р^ на уровень «р4 4s. ѕри большой концентрации ионов каждому спонтанному переходу «р 4з ХЧ «р соответствует акт поглоще≠ни€, ведущий к возвращению иона в возбужденное состо€ние 3^45. ѕроисходит как бы увеличение эффективного времени жизни час≠тиц в «р^д -состо€нии, что ведет к уменьшению инверсии насе-ленностей и, как следствие этого, падению мощности генерации. ”дельна€ мощность генерации вблизи режима насыщени€ достигает 2,5 ¬т/см.

Ѕольшой практический интерес представл€ет зависимость мощ≠ности генерации от диаметра разр€дной трубки (рис.87). »з ри≠сунка видно, что удельна€ мощность генерации растет с увели≠чением диаметра разр€дной трубки. ѕоэтому дл€ получени€ боль≠шой мощности выгоднее использовать разр€дные трубки увеличен≠ного диаметра (до 10+15 мм). ќднако при этом встречаютс€ труд≠ности в получении равномерного разр€да по всей площади трубки, требуютс€ мощные катоды, обеспечивающие большие токи эмиссии (до сотен ампер).


¬ насто€щее врем€ с трубками диаметром 10 + +15 мм в аргоновом ќ √ достигнута мощность генерации 500 ¬т.

ѕри создании мощных аргоновых ќ √ возникают существенные трудности, св€занные с распылением электродов и стенок разр€д≠ных трубок. –аспыленные частицы, оседа€ на брюстеровы окна (или на внутренние зеркала), образуют поглощающий слой. ¬ результа≠те абсорбции излучени€ в поглощающем слое происходит термиче≠ска€ деформаци€ оптических элементов, что приводит к значитель≠ной расходимости луча и падению выходной мощности. ѕоглощающий слой на поверхности окон и разрушение отражающих слоев зеркал резонатора полем излучени€ большой мощности €вл€ютс€ основными преп€тстви€ми, которые ограничивают рост мощности аргоновых ќ √ непрерывного действи€.

—ущественное вли€ние на выходную мощность аргоновых ќ √ оказывает также аксиальное магнитное поле. Ќаложение продоль≠ного магнитного пол€ приводит к спиральному движению электро≠нов и ионов вокруг магнитных_силовых линий, что снижает ради≠альную диффузию к стенкам капилл€ра, увеличива€ концентрацию их на оси трубки. ”меньшение ионной бомбардировки облегчает тепловую нагрузку на стенки разр€дной трубки и увеличивает срок ее службы. Ёкспериментальные исследовани€ показывают, что с рос≠том напр€женности магнитного пол€ выходна€ мощность ќ √ увели≠чиваетс€, достига€ максимума при некотором оптимальном значе≠нии напр€женности, а затем падает.

–ис.88 иллюстрирует зависимость мощности генерации от ве≠личины напр€женности магнитного пол€ при различных давлени€х газа ќ √ с капилл€ром диаметром 4 мм, длиной 28 см, при силе тока 30 ј. ¬идно, что с ростом давлени€ ^/опт уменьшаетс€. ¬е≠личина оптимальной напр€женности также зависит от силы тока и диаметра разр€дного капилл€ра. — ростом силы тока и давлени€ hq „т уменьшаетс€. ќптимальна€, величина напр€женности магнит≠ного пол€ лежит в диапазоне от нескольких дес€тков тыс€ч до (2*3)- 1—√3 ј/м. »сследовани€ показывают, что падение мощности генерации при пол€х напр€женностью, большей оптимальной, когда образуетс€ значительна€ концентраци€ зар€женных частиц на оси разр€дной трубки, св€зано главным образом с эффектом пленени€ резонансного излучени€ и ростом числа тушащих соударений ионов с электронами, привод€щими к безызлучательной дезактивации верх≠них рабочих уровней.

 ак уже отмечалось, инверси€ йаселенностей в дуговом арго≠новом разр€де обеспечиваетс€ дл€ систем уровней, соответствую≠щих электронным конфигураци€м «р 4р и «р4S ионов аргона.ѕо≠тому при выполнении пороговых условий в аргоновом ќ √ мэхвт воз≠никнуть генераци€ когерентного излучени€ на целом раде перехо≠дов этой системы уровней.

¬ аргоновых ќ √ генераци€ наблидаетс€ на многих длинах волн, лежащих в пределах от фиолетовой (450 нм) до зеленой (530 мн) области. Ќаиболее интенсивна€ генераци€ идет на линии 488 нм, отвечающей переходу ^pгDocln Ч ^s^Pw Х Ќезначитель≠но ей уступает по интенсивности генераци€ на переходе ^–^юЧ Ч „в^^с длиной волны 514,5 нм. ¬ лини€х 488 и 514,5 нм мо≠жет заключатьс€ соответственно до 45 и ”?% общей мощности ге≠нерации. ƒл€ этих линий обеспечиваютс€ наибольшие величины ин≠версии населенностей и соответственно большие коэффициенты уси≠лени€. »змерение усилени€ дл€ ќ √ с капилл€ром 0,5 см при дав≠лении 10 ѕа и плотности тока 600 ј/см дл€ перехода о ј, = = 488 нм дает величину I3-IO"3 см"1, дл€ перехода с A=5I4,5iїi-примерно 3,6-ё"3 см"1.

—ледующей по интенсивности после линий 488 и 514,5 нм €в≠л€етс€ лини€ 496 либо 476 нм, на которую приходитс€ около 6% полной выходной мощности. ѕри небольших превышени€х тока над пороговым значением генераци€ происходит на переходе ^–^то---ХХ^-^м. Ћини€ усилени€ имеет доплеровское уширение, и полна€ ширина спектра генерации достигает 10 √√ц, превыша€ ширину спек≠тра Ќе-Ne ќ √ в 4-5 раз. ѕоследнее объ€сн€етс€, во-первых, тем, что рабочие частицы в аргоновой плазме имеют значительно боль≠шую скорость, чем атомы неона в смеси Ќе-Me, и, во-вторых, бо≠лее высоким избыточным усилением (превышением усилени€ над по≠тер€ми в резонаторе). ƒл€ обеспечени€ генерации на отдельных переходах из системы рабочих уровней электронных конфигураций «р 4р и 3p-4s необходимо использование селективных элементов в ќ √ (призм, дифракционных решеток).

ќптический квантовый генератор на углекислом газе


ќтноситс€ к груп≠пе газовых лазеров, в которых используютс€ переходы между ко≠лебательно-вращательными состо€ни€ми молекул. ¬ насто€щее вре≠м€ осуществлена генераци€ на кодебательно-врашательных перехо≠дах многих молекул: —ќ , ti^O ,Ќуќ , —ќ^ и т.д. Ћучшие результа≠ты получены с ќ √ на COq . ќни €вл€ютс€ самыми мощными из всех газоразр€дных ќ √, работающих в непрерывном режиме, и имеют высокий коэффициент полезного действи€, достигающий 20 т 30%.

ассмотрим механизм создани€ инверсии населенностей в ќ √ на углекислом газе. »нверси€ наоеленностей в таких ќ √ осуще≠ствл€етс€ посредством газового разр€да. ѕрежде чем рассматри≠вать вопрос о механизме генерации, приведем некоторые данные о молекуле —ќ^ и ее уровн€х. ћолекула COn - линейна€ симметрич≠на€ молекула. ќна имеет три нормальных типа колебаний: валент-ное полносимметричное (^ ), деформационное ( ^ ) и валентное антисимметричное (^д) (рис.89). ƒеформационные колебани€ €в≠л€ютс€ дважды вырожденными, так как колебани€ с одной и той же частотой могут происходить в двух ортогональных плоскост€х, проход€щих через ось молекулы.  олебательное состо€ние молеку≠лы описываетс€ трем€ квантовыми числами и, , Vn и ^з Х каждое из которых представл€ет число возбужденных квантов колебаний г>! ' ^2. Х "^« Х —оответствующие уровни обозначаютс€ комбинацией квантовых чисел (^ ,и^ , v^ ).  вантовое число t , записываемое. в виде индекса, обусловлено двукратным вырождением дефор≠мационного -

колебани€. ќно принимает значени€ ^"1^,0^-2,..., ќ дл€ четных и, и I Ђ Do, Uo-1,..., 1 ƒл€ нечетных и определ€ет значение момента количества движени€ –^ = /г.^/(2’), св€занно≠го с колебани€ми в направленного вдоль оси молекулы. ”ровни с = 0 €вл€ютс€ невырожденными, с № > 0 - дважды вырожденны≠ми. ѕри и, > I вследствие ангармоничности колебаний —ќ^ вы≠рождение снимаетс€. Ќа рис.90 дана схема нижних колебательных уровней молекул —ќп .

ƒл€ эффективного заселени€ верхнего рабочего уровн€ мо≠лекул —ќ в в рабочую трубку ќ √ ввод€т азот..“ак как Ng Ч двухатомна€ молекула, то она имеет только одну колебательную степень свободы. ≈е колебательна€ энерги€ определ€етс€ кван≠тами энергии, обусловленными колебани€ми атомов вдоль оси мо≠лекулы. —оответственно колебательные уровни энергии молекулы азота описываютс€ одним колебательным квантовым числом v . Ќа рис.90 приведена также система нижних колебательных уровней молекул No. ¬есьма примечательно то, что энерги€ первого воз≠бужденного колебательного уровн€ молекулы Nn почти равна энер≠гии уровн€ (00∞1) молекулы —ќр . –азница энергии состо€ний (00∞1) молекулы —ќр и ( о =1) молекулы Nn составл€ет всего 0,0023 э¬.

√енераци€ в ќ √ на —ќ^ осуществл€етс€ на переходах (DO0!)-Ч(ѕ^ќ) и (00∞I) Ч (02∞0). Ќаиболее интенсивна€ генераци€ идет на переходе (00∞1) Ч (√—∞0) с длиной волны около 10,6 мкм, котора€ подавл€ет почти полностью генерацию на длине волны 9,6 мкм (00∞1) -.(02∞0).

¬озбуждение верхнего рабочего уровн€ (00∞1) обусловлено несколькими процессами. ќсновной процесс возбуждени€ св€зан с неупругими соударени€ми молекул N^ с —ќ^ , что ведет к резо≠нансной передаче колебательной энергии от молекул азота к мо≠лекулам углекислого газа:

¬ газовом разр€де электронные соударени€ привод€т к эф≠фективному образованию колебательно-возбужденных молекул Nn (v = I) (до 30% общего числа молекул Nn). “ак как молекула азота состоит из двух одинаковых атомов, то ее дипольный мо≠мент равен нулю, поэтому дипольное излучение отсутствует и разрушение возбужденных колебательных состо€ний происходит только в результате столкновений. ¬следствие почти полного со≠впадени€ уровней энергии первого колебательного уровн€ {и = I) молекул No и уровн€ (00 I) —ќр соударени€ возбужденных моле≠кул No с молекулами —ќп , наход€щимис€ в основном состо€нии, ведут к селективному заселению верхнего рабочего уровн€ (00 I) —ќ^ .

—ущественную роль в заселении верхнего рабочего уровн€ играет резонансна€ передача колебательной энергии от молекул —ќ молекулам —ќр . ¬ газовом разр€де благодар€ диссоциации мо≠лекул —ќо образуетс€ значительное количество молекул —ќ , ко≠торые при соударени€х с электронами интенсивно перевод€тс€ в колебательно-возбужденное состо€ние. ѕервый возбужденный ко≠лебательный уровень молекулы —ќ почти совпадает с верхним ра≠бочим уровнем (00 √) молекул —ќр. Ѕлагодар€ этому происходит процесс резонансной передачи колебательной энергии от молекул —ќ (так же, как от молекул Nn ) молекулам —ќр:

Ётот процесс - один из основных в заселении верхнего рабочего уровн€ ќ √ на чистом —ќр .

¬ерхний рабочий уровень (00∞1) дополнительно засел€етс€ благодар€ процессу неупругого соударени€ молекул двуокиси уг≠лерода и электронов:

со-(ооо) + Є Ч со (оо∞

ƒл€ работы ќ √ нар€ду с заселением верхнего уровн€ такое же важное значение имеет разрушение нижнего рабочего уровн€. –елаксаци€ нижнего лазерного уровн€ обусловлена столкновени€≠ми молекул —ќо (10'0) с невозбухденными молекулами —0^( ќќќ):

—0^10∞0) + —ќ^(ќќќ)-- CO^OI 'O+COg^O). (125)

Ётот процесс идет с большой эффективностью, что св€зано с со≠ответствием нижнему лазерному уровню (10∞0) молекул —ќр энер≠гии почти вдвое большей, чем требуетс€ дл€ возбуждени€ коле≠бательного уровн€ (01^0). ¬ результате соударени€ молекул —ќп (10∞0) и —ќп (000) привод€т к перераспределению колебательной энергии между ними с возбуждением каждой на уровень (01 0). ѕереход молекул —ќп из состо€ни€ (01 0) в основное состо€ние (000) обеспечиваетс€ столкновени€ми их с частицами посторон≠него газа. ѕри этом энерги€ деформационных колебаний молекулы —0о_ (01 0) превращаетс€ в энергию поступательного движени€ со-удар€ющихс€ молекул.

«начительное уменьшение времени релаксации уровней (01-0) и (10 0) и увеличение тем самый инверсии населенностей,а зна≠чит и мощности генерации вызывают гелий, водород, пары воды, которые ввод€т дл€ этой цели в рабочую трубку ќ √.

ѕо устройству ќ √ на —ќо не имеют принципиальных отли≠чий от других газоразр€дных генераторов. ќднако они характе≠ризуютс€ конструктивными особенност€ми, обусловленными спек≠тральным диапазоном и высокой мощностью излучени€.

Ќа рис.91 приведены схемы конструкций ќ √ на углекислом газе. ¬ мощных — √ длина разр€дных трубок достигает несколь≠ких метров, а диаметр - 70 -5-80 мм. ƒальнейшему увеличению ди≠аметра преп€тствует контрагирование столба газового разр€да, которое наступает дл€ смеси No-—ќо при диаметрах, больших,чеп 40 мм, а на смес€х Nn-CO-He при диаметрах, большихї чем 70* т80 мм. ¬ ќ √ на —ќ^ используетс€ принудительное вод€ное охла ждение трубок ( 1 на рис.91,а). 1%

–азр€д осуществл€ют как на посто€нном токе (см.рис.91, а), так и переменным напр€жением промышленной частоты ( и на рис. 91.ff ). ¬ длинных трубках дл€ упрощени€ зажигани€ и поддержа≠ни€ разр€да создают секции длиной 80+100 см, разр€д в каждой из которых поддерживаетс€ независимо от других секций. ќбычно используют источники с напр€жением примерно 20 к¬ и током, до≠стигающим дес€тков и сотен миллиампер.

ѕримен€ют как внутренние (3), так и внешние зеркала(^> ѕло-скопараллельные пластины брюстеровских окон (.5) газоразр€дных трубок делают из NuCL , KCL , Ge , SL , -прозрачных в области 9+11 мкм. »спользуют зеркала с металлическими или интерферен≠ционными диэлектрическими отражающими покрыти€ми. ѕодложки зер≠кал дл€ ќ √ небольшой мощности (пор€дка I ¬т) делаютс€ из квар≠ца. Ќаилучшим материалом при высоких уровн€х мощности дл€ под≠ложек зеркал и дл€ брюстеровских окон €вл€етс€ иртрай, пред≠ставл€ющий собой прессованный поликристалл ZnSe . ƒл€ вывода излучени€ из ќ √ в зеркалах с металлическими отражающими по≠крыти€ми делаетс€ небольшое отверстие" - окно (диаметром несколь≠ко миллиметров).  оэффициент пропускани€ выходных зеркал с ди≠электрическими покрыти€ми имеет величину 10 т 30%.

–азрад в рабочей смеси газов сопровождаетс€ диссоциацией и изменением исходного состава газа. ѕоэтому очень часто, осо≠бенно в мощных ќ √, используетс€ непрерывна€ прокачка газа (б) через разр€дную трубку.

–ассмотрим основные характеристики ќ √ на COg . Ќа рис.92 показана зависимость выходной мощности от силы тока разр€да паи различных давлен€€х —ќп дл€ ќ √ с отпа€нной трубкой длиной I м и диаметром 10 мм. —начала мощ≠ность возрастает вместе с то≠ком, а затем падает. “ака€ за≠висимость объ€сн€етс€ конку≠ренцией двух факторов. ”вели≠чение концентрации электронов, о одной стороны, ведет к воз≠растанию скорости возбуждени€ молекул —ќп на уровень (00^1), а с другой,- повышает газовую температуру, что увеличивает ^ скорость разрушени€ антисимме-- тричных колебаний молекул.

«начительное увеличение мощности генерации дости≠гаетс€ добавлением к —ќ^ азота.

–ис.93 иллюстрирует вли€ние введени€ азота в разр€дную трубку на мощность и  ѕƒ ќ √ на —ќп Х ѕри добавлении азота благодар€ резонансной передаче колебательной энергии от молекул Nn анти≠симметричному типу колебаний —ќо инверси€ населенностей. а сле≠довательно, и мощность растут. ќднако по мере введени€ N^ по≠вышаетс€ температура газа, что приводит к увеличению скорости релаксации уровн€ (00∞1), уменьшению его заселенности, а также росту населенности нижнего лазерного уровн€ (ё∞0). ѕоэтому ин≠верси€ населенностей снижаетс€ и мощность падает.

—ущественное вли€ние на энергетические характеристики ќ √ на COp-Nn оказывает введение в разр€дную камеру гели€ (рис.94)1 √елий, облада€ теплопроводностью, в несколько раз превышавшей теплопроводность —ќв^ и Nn, снижает газовую температуру, что способствует увеличению инверсной населенности, а значит,и вы≠ходной мощности.  роме того, с введением в разр€д гели€ воз≠



растает возбуждение ко≠лебательных уровней мо≠лекул —ќ- , ћд и —ќ . ќднако при больших пар≠циальных давлени€х ге≠ли€ в газовой смеси мощ≠ность генерации падает, так как уменьшаетс€ на≠селенность верхнего ла≠зерного уровн€ (00∞!) из-за релаксации анти≠симметричных колебаний молекул —ќр при столк≠новени€х COn-He . ћощ≠ность генерации также повышаетс€ при введе≠ни€ в разр€д паров воды.

ќптимальный состав рабочей смеси газов в ќ √ на —ќр зависит от размеров разр€дной труб≠ки, температуры ее сте≠нок, скорости прокачки смеси и т.д. ќбычно ис≠пользуютс€ смеси угле≠

кислого газа, азота и гели€ в соотношении 1:1+5:3*8 при общем давлении пор€дка I03 ѕа. ”дельна€ мощность генерации достигает I ¬т на I см разр€да газовой смеси. “ипичный ќ √ на углекислом газе при длине разр€дной трубки 200 см дает непрерывную мощ≠ность около 150 ¬т. ”величение длины разр€дной трубки ведет к примерно пропорциональному росту мощности. “аким путем удаетс€ создать ќ √ на углекислом газе с выходной мощностью больше I к¬т. Ќа уникальной установке с длиной разр€дного канала ¬ќ м была получена мощность генерации около 9 к¬т.*



СЃЃ°й•≠®• ѓЃ ђ•вЃ§®™† д®І®з•б™Ѓ£Ѓ н™бѓ•а®ђ•≠в†
ПГУ ®ђ. Т.Г. Ш•Ґз•≠™Ѓ £. Т®а†бѓЃЂм
ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ



© 2009 –≈‘≈–ј“џ
рефераты бесплатно