Реферат: Рубиновый оптический квантовый генератор

Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) на твердом теле называют такие оптические кван­товые генераторы, в которых в качестве активной усиливающей среды используется кристаллический или аморф­ный диэлектрик. Примерами твердотельных ОКГ могут служить широкоизвестные рубиновые ОКГ или генераторы на стекле. В этом случае инверсия заселенности образуется на энергетических уровнях атомов и ионов вещества, нахо­дящегося в твердом агрегатном состоянии.

При рассмотрении твердотельных ОКГ следует учи­тывать принципиальные особенности таких приборов. Концентрация активных частиц в твердом материале (10¹⁷ — 10²⁰ см~³ ) на несколько порядков превышает кон­центрацию частиц в газовых средах. Поэтому в твердом теле населенности энергетических уровней значительно больше. Естественно, что и абсолютная величина инвер­сии заселенностей может быть существенно больше, чем в газах. Отсюда понятно, что твердые активные среды должны характеризоваться высоким коэффициентом уси­ления. Это позволяет, во-первых, получать большие мощ­ности генерации и, во-вторых, добиваться генерации при малой длине активного слоя.

Твердое тело как оптическая среда обладает гораздо меньшей оптической однородностью по сравнению с газами. Это приводит к возникновению объемных потерь на рас­сеяние, снижению добротности резонатора при значитель­ной длине активного элемента. Поэтому нет смысла делать активные элементы большой длины. Активные элементы твердотельных ОКГ имеют длину не более 50—60 см для наиболее оптически однородных материалов. Оптическая неоднородность среды приводит к тому, что сверхпороговая инверсия создается не по всему сечению активного элемента, а в определенных узких каналах. Поэтому угол расхождения пучка генерируемого излучения, оценивае­мый даже из дифракционных соображений, оказывается значительным. В твердотельных ОКГ угол расхождения измеряется десятками минут.

В твердом теле взаимодействие между частицами суще­ственно искажает структуру энергетических уровней. Как правило, энергетические уровни частиц твердого тела имеют большую ширину. Линии спонтанного излучения (флюоресценции) и генерации расплываются в широкие спектральные полосы. Для спонтанного излучения харак­терна ширина полосы в несколько ангстрем (кристаллы) или в несколько десятков ангстрем (стёкла). Ширина линии генерации составляет в лучшем случае доли ангстрема.

Способ создания инверсии в твердотельных ОКГ прин­ципиально отличается от накачки в газовых и полупровод­никовых ОКГ, он не может быть связан с прохождением электрического тока через твердый диэлектрик. Для твердо­тельных ОКГ характерна так называемая оптическая накачка. При оптической накачке заселение возбужденных состояний достигается путем интенсивного облучения активного материала излучением внешнего источника. Спе­циально подобранный спектральный состав этого излучения или определенное соотношение между вероятностями соот­ветствующих переходов приводит к преимущественному заселению верхнего рабочего состояния и возникновению инверсии.

Активный элемент рубинового ОКГ.

Первым оптическим квантовым генератором был гене­ратор, в котором в качестве активного элемента исполь­зовался искусственный кристалл рубина. Рубино­вый ОКГ и в настоящее время является одним из наиболее распространенных.

Промышленностью выпуска­ются активные элементы из синтетического рубина, техни­ческие требования и размеры которых установлены стан­дартами: ОСТ 3-24—70 и ОСТ 3-25—70.

В соответствии с этими стандартами рубиновые элементы могут иметь конфигурацию, представленную в табл. 1.

Обозначение рубинового элемента состоит из указания типа (табл.1.) и его размеров, например РЛ1Б 10х120. Выпускаются рубины диаметром от 3,5 до 16 мм и длиной от 45 до 240 мм с ориентацией оптической оси в пределах от 60 до 90°. Боковая поверхность обрабатывается одним из следующих способов: шлифовкой в пределах 5—10 клас­сов чистоты, механической полировкой, при которой дости­гается чистота поверхности не ниже 12-го класса, а также химической или шероховатой полировкой. Диаметр актив­ного тела при механической полировке обрабатывается по скользящей посадке 4-го класса; при всех других видах обработки обеспечивается скользящая посадка 5 класса точности. Непараллельность торцов у элементов типа Р, РЛ, РЛ2Б не превышает 10".

Активные тела из рубина нашли широкое применение в лазерной технике благодаря тому, что рубин генерирует излучение в видимой области спектра, может работать при комнатной температуре, имеет высокую механическую прочность и порог разрушения. Однако кристаллы рубина обладают обычно значительной оптической неоднородно­стью. Источниками этой неоднородности являются дефекты кристаллической решетки (дислокации, блоки, плоскости скольжения, инородные включения, неравномерное распре­деление ионов хрома в образце). Наличие дефектов в кри­сталлах вызывает появление в них внутренних напряжений. Неравномерное распределение в объеме кристалла ионов трехвалентного хрома вызывает значительную неоднород­ность показателя преломления и появление деформации решетки, что вызывает аномальное двулучепреломление.

На угловую расходимость и деформацию волнового фрон­та наибольшее влияние оказывают механические напряже­ния и неравномерность концентрации хрома по сечению. Существующая в настоящее время технология выращива­ния рубинов не обеспечивает равномерное распределение хрома в поперечном сечении образца. Центральная часть образца имеет меньшую концентрацию хрома и, следова­тельно, меньший, чем на периферии образца, коэффициент преломления п. Кроме того, может иметь место скачкообразное изме­нение показателя преломления на границах некоторых участков кристалла. В результате роста в кристалле воз­никают и внутренние деформации. Все это приводит к то­му, что образец со взаимно параллельными торцами в оп­тическом отношении эквивалентен рассеивающей линзе. Плоская волна, проходя через активную среду, из-за ради­ального изменения показателя преломления, вызываемого деформациями и неоднородностью концентраций хрома, в значительной степени искажается. Это приводит к повы­шенной расходимости лазерного луча и неоднородному распределению энергии в нем. В результате исследований показано, в частности, что внутренние механические деформации образца оказывают наиболее сильное влияние на угловую расходимость луча, распреде­ление интенсивности излучения и селекцию мод. Распре­деление и величина напряжений в кристаллах определяют­ся измерением положений интерференционных полос в кар­тинах двойного лучепреломления, которые определяются изменением оптической длины пути для

????????????? ? ??????????????? ?????? ????????????:

где n_о и n_е – показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного пучков;l_a – длина активного тела; m_и – порядок интерференции.

???????? ?????????? x ???????????? ????????? ?????????????:

где В_ф — постоянная фотоупругости.

Величины напряжений, получаемые при использовании усредненного значения постоянной фотоупругости Вф=0,9*10^-7 см² /кг, равны: x=100 кг/см² для образцов низкого качества. Параметры внутренних напряжений в рубиновых стержнях являются удовлетворительным кри­терием при отборе образцов для одномодовой (ТЕМоо) генерации. Образцы высокого качества (x<30 кг/см² ) обеспечивают генерацию одной поперечной моды в доста­точно широком диапазоне накачки.

Величина механических напряжений в рубине зависит от плотности дислокации и их расположения в объеме. Дислокации и их скопления образовываются не только в процессе роста, но и при механической обработке кристал­ла. Механические напряжения вызывают двойное луче­преломление, и кристалл рубина становится двуосным. Неоднородность напряжений в кристалле вызывает допол­нительное искажение сферической волновой поверхности.

Количественный и качественный характер дефектов доста­точно индивидуален и может заметно изменяться для разных образцов.

Одним из факторов, ограничивающих энергетические параметры лазера, является стойкость рубина к воздей­ствию мощного излучения, при определенных плотностях которого начинается разруше­ние торцов или объема ма­териала. Под действием ла­зерного излучения большой мощности в первую очередь разрушаются торцевые поверх­ности рубина. Разрушение торцевых поверхностей можно объяснить на основе механизма теплового разрушения при поглощении света на локальных поверхностных дефектах, например, микротрещинах, границах между блоками и т. п. В результате поглощения света поверхностными дефектами происходит их быстрое нагревание до температуры, при которой имеют место необратимые изменения (оплавление, трещины и т.п.). Порог поверхностного разрушения рубина зависит от длительности светового импульса, от дефектов и структуры поверхности торца.

Плотность пороговой мощности разрушения поверхно­сти для рубиновых образцов с монокристаллической струк­турой поверхности в несколько раз выше. чем для рубинов с аморфной структурой поверхности. Тщательно полиро­ванная поверхность имеет более высокую поверхностную стойкость. В диапазоне коротких импульсов пороговая мощность поверхностного разрушения Pпор – пропорциональна 1/t_имп , где t_имп – длительность импульса.

График, представленный на рис.1, показывает, что для длинных импульсов пороговая мощность не меняется и не зависит от t_имп . В области длинных импульсов пороговая величина поверхностного разрушения составляет примерно 10⁶ вт/см² . Для коротких импульсов длительностью около 50 нс эта величина будет примерно равна 280 МВт/см² .

Объемная прочность рубина значительно выше поверх­ностной и составляет величину 3 •10¹⁰ вт/см² .

Работа рубинового ОКГ.

Рубин — кристаллический минерал, имеющий окраску от бледно-розовой до ярко-красной;структура рубина — кристаллическая решетка Al₂ O₃ с внедренными в нее трехзарядными ионами хрома. Содёржание хрома обычно колеблется в пределах от 0,05 до 0,5%. Цвет кристалла определяется содержанием хрома — чем больше хрома, тем более красный оттенок имеет рубин.

К кристаллам рубина, используемым в технике ОКГ, предъявляются очень жесткие требования по размерам и оптической однородности, поэтому технология выращи­вания кристаллов рубина для ОКГ претерпела существен­ное совершенствование.

? ????????? ??? ??????????????? ??????? Al₂ O₃ ???????? ????????, ? ???? ????? ? ???????????. ???????????? ???????????? ????????? ????????? ????????????????? ????? ? 3d³ . ?????????? ?????????????? ????? ?????? ??????????????? ??????? ???????? ?????????? ????????? ?? ??? ???????. ????? ?????? ??????????????? ??????? ????????? ?? ???.2.

Два близко рас­положенных уровня 2-метастабильные долгоживущие состояния. Два широких уровня 3 соответствуют состояниям с малым временем жизни, причем наиболее вероятен спонтанный переход 3®2. Этот переход безызлучательный — избыток внутренней энергии иона переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Инверсное заселение состояний происходит по трехуровневой схеме рис.3 и рис.4.

Излучение накачки поглощается в криcталле на переходах 1®3. Спектр поглощения рубина соответствует раздвоенной структуре состояния 3. Он cодержит две широкие (Dl=1000 Ангстрем) полосы поглощения, максимумы которых приходятся на зеленую и фиолетовую области спектра. Спектр поглощения рубина представлен на рис.5, где две зависимости соответствуют двум ориентациям падающего излучения относительно оптической оси кристалла.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--