Оптические квантовые генераторы

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. Применяются 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 резонаторы со сферическими зеркалами. Обычно поворот сферических зеркал от оптимального положения в пределах нескольких угловых минут мало влияет на величину выходной мощности ОКГ. Поэтому в большинстве 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 метастабильном 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 атомов 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 метастабильный 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 , уменьшая инверсию населенностей. Экспериментально установлено, что для трубок длиной I м оптимальный диаметр составляет 7-8 мм. Для трубок меньшей длины он получается соответственно меньше.

Характер этой зависимости  полностью определяется механизмом возбуждения гелий-неоновой смеси. С увеличением разрядного тока возрастает концентрация электронов в плазме и  увеличиваются населенности всех возбужденных состояний атомов гелия и неона, особенно 2s-и 35-состояний, благодаря процессу, описываемому формулами (123). Поэтому мощность генерации с увеличением тока растет. По мере дальнейшего возрастания тока рост инверсии из-за интенсивного заселения нижних рабочих уровней2р и Зр в результате процесса ступенчатого возбуждения через метастабилъный уровень Is, описываемого формулами (124), начинает замедляться. При больших разрядных токах (> 100 мА) концентрация атомов неона в долгоживущем метастабильном состоянии is становится настолько высокой, что ступенчатое заселение уровней 2р и Зр приводит к уменьшению инверсной заселенности рабочей пары уровней, и мощность генерации падает.

Оптимальная величина тока разряда для разных ОКГ находится  в диапазоне 20*80 мА. Исследования показывают, что в оптимальном режиме удельная мощность (мощность с единицы длины  разрядной трубки) генерации составляет 30 мВг/м для перехода 3Sn-- 2pq ( Л- = 0,6328 мкм), 50 мВт/м для перехода 25g -2рц (Л, = = 1,152 мкм) и 100 мВт/м для перехода За - Зрц ( Л/ =3,394мий).

Коэффициент полезного действия гелий-неонового ОКГ составляет доли процента. Столь низкий КПД  объясняется малой квантовой эффективностью рабочих переходов атомов неона и несовершенством процесса возбуждения их. Квантовая эффективность рабочего перехода - это отношение энергии излучаемого фотона к энергии, которая сообщается частице для возбуждения ее до верхнего рабочего уровня. Иными словами, квантовая эффективность показывает , какая доля энергии, затраченная на возбуждение частиц, переходит в энергию генерации. Очевидно, что квантовая эффективность рабочего перехода определяет теоретическое предельное значение КПД ОКГ. Для атомов неона энергия верхнего рабочего уровня составляет 20 аВ, а энергия фотона генерации с Д=0,6328 мкм равна 2 эВ. Поэтому квантовая эффективность т.д. Таким образом, в когерентное излучение может быть преобразовано лишь 10% общей энергии, сообщенной атому.

С другой стороны, в процессе возбуждения атома Afe до верхнего рабочего уровня эффективно могут участвовать  только те электроны, энергия которых  превышает 20 эВ. Так как в гелий-неоновой плазме наиболее вероятная энергия  электронов составляет 6+8 аВ, то для  возбуждения верхнего рабочего уровня используется лишь небольшая часть  энергии, затрачиваемой на поддержание  газового разряда. Поэтому КПД гелий-неонового  ОКГ значительно меньше квантовой  эффективности и составляет доли процента .

Спектр излучения гелий-неонового  ОКГ состоит из отдельных . линий, соответствующих продольным к поперечным типам колебаний используемого  открытого резонатора. Общая ширина спектра генерации определяется шириной линии усиления активной среды ОКГ. Линия усиления активной среды гелий-неонового ОКГ определяется эффектом Доплера, и ее ширина Д-у  растет с увеличением интенсивности  накачки. Для перехода с Л/ = 0,6328 мкм  она достигает 2000 МГц, для = 1,152 мкм Ai)» 1000 МГц, для Л = = 3,394 мкм Дг, йг 400 МГц. При длине резонатора I м в ОКГ может генерироваться на = 0,6328 мкм до 10+12, на Л.=1,]5мкм - до 5-6 продольных типов колебаний.

Применяя специальные  методы селекции типов колебаний, можно  получить генерацию в гелий-неоновом ОКГ на одной частоте.

Аргоновый ОКГ. В отличие  от атомных ОКГ, к которым относится  рассмотренный гелий-неоновый ОКГ  и в которых используются переходы между возбужденными состояниями атомов, в ионных ОКГ рабочий переход соответствует возбужденным уровням ионов. Ионный ОКГ в настоящее время - один из наиболее мощных газовых ОКГ, излучение которых лежит в видимой области спектра. Это связано с особенностями структуры энергетических уровней ионов и механизмом создания инверсии населенностей.

Инверсия населенностей  в ионных ОКГ осуществляется газовым  разрядом. Так как рабочими частицами  в них являются ионы, то газовая  плазма разряда должна быть высокоионизированной. Поэтому в ионных ОКГ используется дуговой разряд, отличающийся повышенной степенью ионизации.

Характерным представителем ионных ОКГ служит аргоновый ионный ОКГ, наиболее изученный и разработанный  в настоящее время. Давно налажен  их промышленный выпуск.

Рассмотрим механизм возбуждения  аргоновых ионных ОКГ. На рис. 83 приведена  упрощенная диаграмма нижних состояний  ионов аргона. В основном состоянии  атом Др имеет электронную конфигурацию fsSsp-Ss-S⁶. Первое возбужденное состояние атома Аг соответствует переводу одного из внешних электронов на 4 д -оболочку. При однократной ионизации получается конфигурация is^s*г,s^г*г.p^GЗs^г'Зp⁵, которой соответствуют два уровня. Перевод одного из электронов с Зр оболочки иона аргона на оболочку дает пять энергетических уровней, а возбуждение электрона с Зр -оболочки на 4р -оболочку ведет к образованию 13 уровней.

Генерация в аргонных ОКГ  осуществляется на переходах между  состояниями иона Аг''' с электронной  конфигурацией Зр4р и З/з. Инверсия населенностей обеспечивается процессами ступенчатого электронного возбуждения и разным временем жизни верхних и нижних рабочих уровней. В аргоновой плазме с большой эффективностью идет процесс образования возбужденных атомов и ионов посредством электронных соударений:

Далее повторные соударения с электронами приводят к образованию  возбужденных ионов с электронными конфигурациями Зрр и

Кроме того, рабочие уровни заселяются в результате ступенчатых  переходов через уровни состояний  ионов с электронной конфигурацией 3pd и Зрд (эта система уровней на рис.83 не изображена).

Как показывают исследования, скорость заселения верхних и  нижних уровней одинакова. Инверсия населенностей образуется лишь вследствие того, что время жизни уровней  Зрр примерно в 25 раз выше, чем  время жизни уровней 3p4s. Нижние рабочие  уровни Зрд опустошаются вследствие спонтанных переходов в основное состояние ионов с излучением в ультрафиолетовой вакуумной области. Наибольшая инверсия населенностей  получается для переходов р -* 4s ^г?.

На рис.84, о. приведена  схема аргонового ОКГ. Он отличается от гелий-неонового ОКГ лишь конструкцией газоразрядной трубки. Как уже  отмечалось, в ионных ОКГ используется сильноточный дуговой разряд, обеспечивающий высокую степень ионизации газа. Для генерации необходима плотность  тока разряда до нескольких сотен  ампер на I см~. Разряд происходит в  узкой капиллярной трубке 3 , охлаждаемой  водой 1 . Рабочее давление аргона в разрядном капилляре устанавливается в несколько десятков паскалей. Электроды трубки должны быть рассчитаны на разрядные токи до сотен ампер и иметь высокую стойкость к электронной и ионной бомбардировке. Анод Ч обычно охлаждают водой. Часто применяют в таких ОКГ оксидные катоды 5 . Хорошо зарекомендовали себя также импрегнированные катоды, представляющие собой пористую вольфрамовую губку, пропитанную алюминатом бария или кальция. Такие катоды обладают большой удельной эмиссией, превышающей во много раз оксидные катоды. Они не теряют своей эмиссионной способности при многократных нарушениях вакуума в трубке.

При мощном дуговом разряде  происходит процесс перекачки газа от анодного конца трубки к катодному, в результате чего образуется перепад  давления и разряд гаснет. Для выравнивания давления по длине капилляра катодную и анодную колбы соединяют  обводным каналом 6 , обеспечивающим свободную циркуляцию газа.

Разрядный капилляр должен выдерживать высокие тепловые нагрузки (сотни ватт на квадратный сантиметр) и ионную бомбардировку. Капилляр часто  выполняется из кварца. Он термостоек, имеет хорошие электроизоляционные  свойства и устойчив к эрозии. Изготовление разрядных трубок из кварца не представляет технологических трудностей. Обычно используют разрядные трубки диаметром  до I5+20 мм и длиной от 10 см до нескольких метров. Существенный недостаток кварца - малая теплопроводность . Она позволяет  доводить плотность разрядного тока только до сотен ампер на I си² в ОКГ непрерывного действия. Кварцевые капилляры пока не обеспечивают длительную работу ОКГ при больших мощностях. Срок службы кварцевых капилляров достигает нескольких сотен часов. При плотностях тока 500 А/см и более кварцевые капилляры практически непригодны для работа. В этом случае в качестве материала для разрядных капилляров используют различную тугоплавкую керамику и анодированный алюминий.

Разрядные капилляры из керамики значительно долговечнее, обладают более высокой теплопроводностью, чем плавленый кварц.

Проблема создания стойких  разрядных трубок для аргоновых  ОКГ во многом решается путем использования  секционированных разрядных трубок, состоящих из металлических шайб 7 тугоплавкого материала (молибдена, тантала, графита, керамики из окиси берилия), разделенных диэлектрическими изоляционными  кольцами 8 (из кварца, резины) (рис.84, (у). В ряде стран промышленностью  выпускаются ОКГ с капиллярами  из тугоплавких керамик и секционированными  разрядными трубками мощностью 3+10 Вт и  выше. Срок службы их достигает нескольких тысяч часов.

Многочисленные исследования ионных аргоновых ОКГ привели  к оригинальному решению проблемы создания дугового разряда высокочастотными поляки. На рис.85 приведена схема  аргонового ОКГ с высокочастотным  питанием < . Замкнутая кольцевая  трубка 2 ОКГ служит как бы одновитковой вторичной обмоткой высокочастотного трансформатора 3 . Для питания используется генератор с частотой в несколько  мегагерц. Высокочастотное возбуждение  имеет следующие достоинства: снижается  эрозия кварцевого капилляра, отсутствует  жестчение газа, существенно уменьшаются  шумы в излучении. Уменьшение эрозии, по-видимому, связано с тем, что  ионы не успевают приобрести значительную скорость при движении в высокочастотном  поле. В ОКГ с высокочастотным  возбуждением нет металлических  электродов, что позволяет использовать в них химически активные газы (в таком разряде получена генерация на ионах мышьяка, брома, селена).

Практически в большинстве  ионных аргоновых ОКГ используется наложение внешнего продольного  магнитного поля на разряд, приводящее к существенному увеличению мощности генерации. Магнитное поле создается  соленоидами (см. на рис.84,а) или постоянными магнитами. Оно прижимает разряд к оси трубки, увеличивает концентрацию электронов в центре капилляра, уменьшает поток заряженных частиц на его стенки. Последнее уменьшает тепловые нагрузки на капилляр и увеличивает тем самым срок его службы. Напряженность магнитного поля имеет величину порядка 10° А/м.

Важное значение при эксплуатации и разработке аргоновых ОКГ имеет  определение их оптимального режима работы, соответствующего наибольшей выходной мощности. Мощность генерации 'зависит от силы тока разряда, давления газа, размеров разрядного капилляра, величины напряженности магнитного поля и т.д.

На рис.86 приведена зависимость  выходной мощности ОКГ с разрядной  трубкой диаметром 10 мм от давления аргона при разных величинах разрядного тока. Из рисунка видно, что существует оптимальное давление, соответствующее  максимальной мощности. При малых  давлениях концентрация ионов незначительна  и мощность излучения оказывается  небольшой. При больших давлениях  концентрация ионов велика, но мала длина свободного пробега электронов и, следовательно, мала их энергия. Это  ведет к снижению эффективности  возбуждения ионов при соударениях  с электронами, вследствие чего инверсия, а значит, и мощность излучения  получаются незначительными. Величина оптимального давления зависит от диаметра разрядной трубки. Она растет с уменьшением диаметра. Экспериментально установлено, что величина оптимального давления рот ^в зависимости от диаметра трубки d определяется при jd = 100 А/см ( j - плотность тока разряда) соотношением Ропт ⁼ 6,5ct ~, здесь d выражено в сантиметрах. Для реально используемых трубок d = 0,1+1,5 см, ру = 100+4 Па.