Оптические квантовые генераторы

Более эффективны системы  с прямыми лампами и отражателями в виде эллиптического цилиндра (рис.72, б), обеспечивающего фокусировку  излучения ламп на рабочий образец. Для этого рабочее тело и лампы  размещаются вдоль фокусных осей цилиндра.(Рис. 72,в иллюстрирует систему, в которой содержатся несколько ламп и одно рабочее тело.) Столь же эффективной оказывается более простая система, в которой лампа и активное тело находятся рядом внутри узкого отражателя с круглым или овальным сечением. Отражатель выполняется из серебряной или алюминиевой фольги. В конструкциях систем накачки очень часто предусматриваются охлаждение рабочего тела и ламп путем обдува их воздухом ахи обтекания хладоагентом.

Питание ламп осуществляется от батареи конденсаторов С_о (см.рис.72,а ), заряжаемых часто от сети переменного напряжения через повышающий трансформатор Тр. и выпрямительный элемент Д. . Нормальное напряжение заряда конденсаторов должно быть меньше напряжения самопробоя импульсной лампы накачки. Зажигание разряда в лампе осуществляется подачей на поджигающий электрод высоковольтного инициирующего импульса от управляющей схемы. На рис.72,а последняя состоит из конденсатора С , заряжаемого от сети через диод Д2, тиратрона с холодным катодом и импульсного трансформатора Тр1. При замыкании кнопки К тиратрон зажигается, конденсатор с разряжается через первичную обмотку трансформатора и на вторичной обмотке появляется высоковольтный импульс.

Рубиновые ОКГ

Были первыми практически  осуществленными оптическими квантовыми генераторами. В настоящее время  ОКГ на рубине - наиболее распространенные и широко используемые в практике. Это объясняется следующими достоинствами  рубиновых ОКГ: излучение происходит в удобном спектральном диапазоне (в видимой области), обеспечивается большая Энергия генерации, рубиновые  кристаллы легко получить высокого качества, они имеют высокую прочность  и не требуют охлаждения Рубив  представляет собой кристалл корунда  Аl₂0₃,в котором часть ионов Al³⁺ замещена трехвалентными ионами хрома Сг^3- Активными частицами, определяющими генерацию, являются ионы хрома. В ОКГ используют кристаллы розового рубина о массовой концентрацией Сr2О3 относительно Al2O3 , примерно равной 0,05 массы что составляет 1,6*10¹⁹ ионов хрома в I см³.

На рис.73 приведена система  нижних энергетических уровней ионов  хрома. Она существенно отличается от системы уровней свободных  ионов, что связано со взаимодействием  ионов с сильными полями кристаллической  решетки. Обозначения уровней, приведенные  на рис.73, заимствованы из теории групп, которая используется при расчете, и не связаны непосредственно  с принятыми обозначениями уровней  свободных ионов. Рабочим является переход 2Е->4А2. Состояние 2Е является метастабильным. При комнатной температуре его время жизни составляет около 3 мс. Уровень ²E в действительности состоит из двух подуровней Е и 2А , разделенных промежутком 29 см-1. Переходы с этих подуровней в основное состояние 4А2 соответствуют линиям излучения света R1 и R2 с длиной волны 694,3 и 692,9 нм при температуре 300°С.

Уровень 4F2 состоит из шести  подуровней, которые из-за неоднородности кристаллического поля настолько уширены, что перекрывают друг друга, превращая  его в полосу. Уровень 4F1 также  представляет собой полосу (см.рис.73).

Обычно генерация происходит на R1 -линии, для которой легче  реализуются пороговые условия. Это связано с тем, что между  ионами, находящимися на подуровнях Е и 2-4 , ответственных за линии и Rn , существует интенсивный обмен. В результате населенности подуровней Е и 2А устанавливаются в соответствии с законом Больцмана и нижний подуровень имеет большую населенность. Возникновение генерации на частоте R1 - линии предотвращает возбуждение генерации на R2-линии, так как интенсивные релаксационные процессы вызывают переход ионов с 2A на Е и населенность уровня 2А не может достигнуть порогового значения.

Рубиновые ОКГ работают, как правило, в режиме разовых  и периодических импульсов. Имеются  лишь отдельные разработки генераторов  непрерывного действия. Для рубиновых  ОКГ характерна длительность импульсов  порядка миллисекунд, частота следования обычно не превышает сотни герц. Ее ограничивает нагревание кристалла  и ламп накачки.

Важной характеристикой  импульсного твердотельного ОКГ  является пороговая энергия накачки. Под ней понимают минимальную величину энергии питания ламп за одну вспышку, при которой возникает генерация. Пороговая энергия накачки зависит от размеров кристалла, его температуры, типа используемой лампы, конструкции системы накачки, добротности резонатора и т.д.

Обычно пороговая энергия  рубиновых ОКГ составляет десятки  и coтни джоулей. С увеличением  энергии накачки энергия ОКГ  ограничивается возможностями системы  накачки, размерами кристалла, его  качеством, световой прочностью зеркал и другими факторами.

В ОКГ с кристаллом диаметром 2 см и длиной 30 см генерируемая за импульс  энергия достигает десятков джоулей. При длительности импульса ~ I мс пиковая  мощность генерации составляет десятки  киловатт. В ОКГ о модулированной добротностью (будут рассмотрены  далее) импульсная мощность достигает  десятков и более мегаватт. Коэффициент  полезного действия, определяемый как  отношение излучаемой энергии ОКГ  к потребляемой им электрической энергии, для рубиновых ОКГ равен единицам процентов. Малый КПД связан во многом с низкой эффективностью системы накачки. Используемые в настоящее время импульсные газоразрядные лампы накачки преобразуют в свет около 50% потребляемой электрической энергии. Примерно 30% световой энергии ламп, т.е. 15% электрической энергии, соответствует полосам поглощения рубина. Оптическая часть системы накачки обеспечивает передачу в рубин приблизительно 00% полезной энергии. Так что реально всего несколько процентов расходуемой электрической энергии идет непосредственно на накачку рубина.

Излучение рубиновых ОКГ  в зависимости от времени имеет  сложный "пучковый" характер. В  пределах каждого импульса накачки  обычно оно представляет собой хаотический  набор разных по амплитуде пучков, всплесков интенсивности генерации  с длительностью и интервалом между ними порядка микросекунд.

На рис.75 приведены осциллограммы  интенсивностей накачки (а) и выходного  излучения (б).

На характер этого режима влияют многие факторы, в частности  конфигурация резонатора, распределение  интенсивности накачки по объему кристалла, его температура, однородность и т.д. Так, эксперимент показывает, что хаотичность пульсации излучения  значительно уменьшается вплоть до регулярного следования пучков при  использовании в ОКГ открытых резонаторов, характеризующихся большим  числом высокодобротных типов колебаний (например, резонатора с одинаковыми  сферическими зеркалами, расположенными на расстоянии, меньшем их удвоенного радиуса кривизны). Получению режима регулярных пульсации излучения  способствует также однородное распределение интенсивности накачки в рабочем кристалле и понижение его температуры.

Важной характеристикой  работы ОКГ является картина распределения  поля по площади сечения выходного  пучка. Она определяет диаграмму  направленности выходного излучения. Минимальная ширина диаграммы направленности соответствует основному поперечному ТЕМ_00q типу колебаний. В случае использования плоских круглых зеркал ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности для ТЕМ_00q типа равна Т = 0,63 Л/d рад ( d - диаметр пятна на зеркале; Л - длина волны). При d = I см, Л = 0,6943 мкм Т = 4«10~⁴ рад, т.е. примерно 1,5'. Практически ширина диаграммы излучения для рубиновых ОКГ превышает величину, вычисленную по этой формуле, раз в десять .Столь сравнительно большая ширина диаграммы направленности связана с возбуждением высших типов колебаний, оптическим несовершенством реальных рубиновых кристаллов (наличием в них центров рассеяния и градиентов преломления по площади сечения образца). Распределение поля по площади зеркала часто имеет весьма сложную мозаичную картину, которая в процессе генерации меняется от пучка к пучку.

Излучение рубиновых ОКГ  обычно частично иди полностью поляризовано. Поляризация излучения определяется анизотропией рубиновых кристаллов, и ее характер зависит от угла ориентации оптической оси кристалла относительно геометрической оси стержня, вдоль  которой распространяется свет в  резонаторе. Обычно используются рубиновые  стержни с ориентацией оси 60 или 90°. Излучение в ОКГ с такими стержнями имеет линейную поляризацию  с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости, в которой лежат оптическая ось ж ось стержня. В ОКГ с кристаллом 0-градусной ориентации излучение неполяризовано.

Оптические квантовые  генераторы на стекле

Активированном неодимом, находят такое же широкое распространение, как рубиновые. Это обусловлено  достоинствами стекла: простотой  изготовления образцов больших размеров (до нескольких сантиметров в диаметре и длиной до метра и более), высокой  оптической однородностью, возможностью введения рабочих частиц в необходимых  концентрациях с равномерным  распределением по объему.

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  пучковый 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, использующих 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. Неупругие атомно-молекулярные  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, когда 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 обычно барий), активно поглощающий кислород, водород, азот и другие газы, но не вступающий в соединение с гелием и неоном.