Реферат: Оптические квантовые генераторы

Недостатком стекла является низкая теплопроводность, что затрудняет создание генераторов большой средней мощности и ограничивает его работу режимом одиночных импульсов.

Средняя мощность в импульсе генерации достигает единиц мега­ватт. Коэффициент полезного действия таких генераторов состав­ляет доли процента, их выходное излучение, так же как и у ру­биновых ОКГ, носит пичковый характер. Ширина спектра излучения при больших уровнях накачки достигает 20 нм. Излучение ОКГ на неодимовом стекле неполяризовано. Это связано с хаотической ориентацией ионов неодима и оптической однородностью стекла.

Угловая расходимость выходного луча ОКГ на неодимовом стек­ле достигает обычно единиц угловых минут, что значительно мень­ше величины расходимости излучения рубиновых ОКГ. Это обуслов­лено более высокой оптической однородностью стекла.

Газовые оптические квантовые генераторы

В газовых ОКГ, как следует из названия, активной усиливающей средой является газ. Рабочими частицами, переходы между энергетическими состояниями которых определяют генерацию, слу­жат атомы, ионы или молекулы. В соответствии с этим говорят об атомных, молекулярных и ионных ОКГ.

В настоящее время предложено множество методов создания инверсии населенвостей в газовых средах, использувдих электри­ческий разряд, энергию химических реакций, оптическую накачку и т.д.

Наиболее часто инверсия в газовых ОКГ осуществляется в ре­зультате электрического разряда, создаваемого непосредственно в самой рабочей среде. Основными механизмами, приводящими к из­быточной населенности верхних энергетических уровней в газоразрядных ОКГ, являются следующие процессы:

I. Неупругие столкновения электронов с частицами газа (со­ударения первого рода), сопровождаемые передачей кинетической энергии движения электронов частицам, которые переходят в воз­бужденное состояние. Символически такой процесс обозначают

Соударения первого рода приводят не только к прямому возбужде­нию, но и определяют ступенчатое возбуждение частиц. При не-yupyl'их столкновениях электрона е с возбужденной частицей А* последняя переводится в более высокое энергетическое состоя­ние А**:

Процессы возбуждения частиц путем электронных неупругих соуда­рений первого рода играют основную роль во всех газоразрядных ОКГ.

2. Соударения второго рода между разнородными атомами сме­си двух газов. При соударении атомов, один из которых - А* - находятся в возбужденном состоянии, а другой - В - в основ­ном, происходит передача возбуждения от первого атома ко вто­рому. При этом первоначально возбужденный атом переходит в ос­новное состояние, а партнер по соударению - в возбужденное со­стояние :

Этот процесс происходит эффективно лишь в случае, когда энер­гии возбужденных состояний взаимодействующих атомов совпадают с точностью до величин порядка kT ( Т - температура газовой смеси). Примером газового оптического квантового генератора, в котором используется механизм, описываемый формулой (122), является широко используемый гелий-неоновый ОКГ.

3. Неупрутие атомно-молекудярные соударения, приводящие к диссоциации молекул с переходом одного из атомов в возбуж­денное состояние

На рис.80 показано схематическое устройство газового ОКГ. Он состоит из двух основных частей: открытого резонатора, образованного зеркалами 3^ и 3^ , и газоразрядной камеры, напол­ненной рабочей смесью He-Ne .

Газоразрядная камера представляет собой кварцевую или стеклянную трубку (обычно длиной от 1,5+2 дм до 1,&г2 м и диа­метром до &т8 мм), с торцов закрытую плоскопараллельными опти­ческими окнами, наклоненными под углом Брюстера к оси трубки. Такие окна имеют пренебрежимо малые потери энергии на отраже­ние для волны, поляризованной в плоскости падения, и практиче­ски делают невозможной генерацию излучения, поляризованного в перпендикулярной плоскости.

Иногда зеркала укрепляют на концах газоразрядной трубки. Однако такое расположение зеркал значительно усложняет конст­рукцию вакуумной части ОКГ (необходимо использовать сильфоны для юстировки зеркал) и создает технические трудности для сме­ны зеркал, изменения расстояния между ними, введения в резона­тор дополнительных элементов (диафрагм, линз и т.п.). Поэтому конструкции ОКГ с внутренними зеркалами применяются редко и главным образом тогда, котаа необходимо получить генерацию с произвольной поляризацией излучения.

Газоразрядная трубка наполняется рабочей смесью гелия и неона с общим давлением ^-10^ Па. Перед напуском рабочей смеси производят тщательную откачку с интенсивным нагреванием трубки. Для устранения оставшихся после откачки и выделяющихся в про­цессе работы газов перед отпайкой в трубку вводят геттер обыч но барий), активно поглощающий кислород, водород, азот и дру­гие газы, но не вступающий в соединение с гелием и неоном.

Исследования показывают, что усиление активной среды в гелий-неоновом ОКГ невелико и составляет несколько процентов на метр (например, для перехода 3s о -2рц с Л, = 0,6328 стоя оно не превышает А% на метр, для перехода 2Sn -2рц с Д= I, 152 мкм - 12%). Поэтому в резонаторах гелий-неонового ОКГ прихо­дится использовать зеркала с коэффициентом отражения, близким к единице и отличающимся от нее на доли и единицы процентов. При-меняются главным образом зеркала с интерференционными покрыти­ями. Малый коэффициент усиления активной среды налагает жест­кие требования на точность юстировки зеркал резонатора. Так, в случае резонатора с плоскими зеркалами непараллельность их все­го в несколько угловых секунд существенно сказывается на вы­ходной мощности. Значительно меньше зависят от юстировки резо-иаторы со сферическими зеркалами. Обычно поворот сферических зеркал от оптимального положения в пределах нескольких угловых минут мало влияет на величину выходной мощности ОКГ. Поэтому в болышнстве газовых ОКГ используют резонаторы со сферическими зеркалами.

Для возбуждения газовой смеси используют либо разряд на постоянном токе, либо высокочастотный разряд. В первом случае в газоразрядную трубку, как показано на рис.80, вводят электроды - катод Щ, анод ('?). Напряжение питания со­ставляет в зависимости от длины разрядного промежут­ка величину от нескольких сотен вольт до двух-трех киловольт,ток разряда - не­сколько десятков миллиампер, Высокочастотный разряд воз­буждается радиочастотным генератором с мощностью от десятков до сотен ватт, на­пряжение от которого подводится к внешним кольцевым электро­дам, накладываемым на трубку.

Мощность генерации ОКГ зависит от парциальных давлений ге­лия и неона, размеров газоразрядной трубки, от тока (мощности) разряда. На рис.81 представлена зависимость мощности генерации р от давления гелия при различных давлениях неона.Мощность генерации растет с увеличением парциального давления гелия и неона, достигая максимума при общем давлении,, близком к 100 Па, и затем уменьшается. Рост мощности с давлением гелия объясня­ется увеличением концентрации его атомов, находящихся в мета-стабильном состоянии, что благодаря процессу резонансной пере­дачи энергии атомам неона, описываемому формулой (123), ведет к росту инверсии населенностей рабочей среды и, следовательно, мощности генерации. При больших давлениях газовой смеси время свободного пробега электронов снижается настолько, что они не успевают достаточно ускориться в электрическом поле и приобре­сти необходимую энергию. Поэтому эффективность возбуждения ато-мов уменьшается. Мощность генерации существенно зависит от со­отношения парциальных давлений гелия и неона в газовой смеси. Как показывают исследования, для генерации на переходе 3$^ --— 2/Dn с /I = 0,6328 мкм оптимальное соотношение для неона и • гелия равно I : 5, а для перехода 25^—2^ с Л-= 1,15 мкм оно равно I : 10 при общем давлении смеси около 100 Па.

Важным вопросом получения максимальной выходной мощности является выбор оптимального диаметра газоразрядной трубки. С одной стороны, увеличение диаметра трубки, а значит, и объема активной среды должно приводить к росту мощности генерации. С другой - чрезмерное увеличение диаметра трубки ведет к умень­шению инверсии населенностей рабочей пары уровней. Это связано с тем, что в процессе генерации опустошение нижнего рабочего уровня 2рь происходит посредством каскадных переходов на ме-тастабильный уровень Is , с которого атомы возвращаются в ос­новное состояние, главным образом под влиянием соударений со стенками трубки. Чем больше радиус трубки, тем больше время диффузии атомов неона к стенкам, а значит, время их жизни в состоянии is . В результате на уровне is скашиваются атомы, откуда они в результате электронного возбуждения переходят в состояние 2р и Зр , уменьиая инверсию населенностей. Экспери­ментально установлено, что для трубок длиной I м оптимальный диаметр составляет 7-8 мм. Для трубок меньшей длины он полу­чается соответственно меньше.

На рис.82 приведена типич­ная для гелий-неонового ОКГ за­висимость выходной мощности