Оптические квантовые генераторы

Мощность генерации при  токах выше порогового значения растет пропорционально квадрату силы тока. Квадратичная зависимость мощности от тока характерна для всех аргоновых  ОКГ. Она объясняется ступенчатым  процессом механизма возбуждения  ионов из основного состояния  атомов. Лишь при очень больших  плотностях тока ('>1000 А/см) мощность излучения  с увеличением силы тока перестает  расти, наступает насыщение и  далее мощность уменьшается. Однако такого режима трудно достигнуть из-за разрушения разрядных капилляров. Насыщение  мощности излучения с ростом оиды тока, по-видимому, связано с эффектом пленения излучения. Инверсия населенностей, как было уже показано, в аргоновых  ОКГ обеспечивается в результате опустошения нижнего рабочего уровня 348 интенсивными спонтанными переходами ионов в основное ионное состояние. Спонтанное излучение, распространяясь  в плазме, частично поглощается невозбужденными  ионами, что приводит к переводу их с уровня Зр на уровень Зр⁴ 4s. При большой концентрации ионов каждому спонтанному переходу Зр 4з *-- Зр соответствует акт поглощения, ведущий к возвращению иона в возбужденное состояние 345. Происходит как бы увеличение эффективного времени жизни частиц в Зрд -состоянии, что ведет к уменьшению инверсии населенностей и, как следствие этого, падению мощности генерации. Удельная мощность генерации вблизи режима насыщения достигает 2,5 Вт/см.

Большой практический интерес  представляет зависимость мощности генерации от диаметра разрядной  трубки (рис.87). Из рисунка видно, что  удельная мощность генерации растет с увеличением диаметра разрядной  трубки. Поэтому для получения  большой мощности выгоднее использовать разрядные трубки увеличенного диаметра (до 10+15 мм). Однако при этом встречаются  трудности в получении равномерного разряда по всей площади трубки, требуются мощные катоды, обеспечивающие большие токи эмиссии (до сотен ампер).

В настоящее время с  трубками диаметром 10 + +15 мм в аргоновом  ОКГ достигнута мощность генерации 500 Вт.

При создании мощных аргоновых  ОКГ возникают существенные трудности, связанные с распылением электродов и стенок разрядных трубок. Распыленные  частицы, оседая на брюстеровы окна (или  на внутренние зеркала), образуют поглощающий  слой. В результате абсорбции излучения  в поглощающем слое происходит термическая  деформация оптических элементов, что  приводит к значительной расходимости луча и падению выходной мощности. Поглощающий слой на поверхности  окон и разрушение отражающих слоев  зеркал резонатора полем излучения  большой мощности являются основными  препятствиями, которые ограничивают рост мощности аргоновых ОКГ непрерывного действия.

Существенное влияние  на выходную мощность аргоновых ОКГ  оказывает также аксиальное магнитное  поле. Наложение продольного магнитного поля приводит к спиральному движению электронов и ионов вокруг магнитных  силовых линий, что снижает радиальную диффузию к стенкам капилляра, увеличивая концентрацию их на оси трубки. Уменьшение ионной бомбардировки облегчает  тепловую нагрузку на стенки разрядной  трубки и увеличивает срок ее службы. Экспериментальные исследования показывают, что с ростом напряженности магнитного поля выходная мощность ОКГ увеличивается, достигая максимума при некотором  оптимальном значении напряженности, а затем падает.

Рис.88 иллюстрирует зависимость  мощности генерации от величины напряженности  магнитного поля при различных давлениях  газа ОКГ с капилляром диаметром 4 мм, длиной 28 см, при силе тока 30 А. Видно, что с ростом давления /опт уменьшается. Величина оптимальной напряженности также зависит от силы тока и диаметра разрядного капилляра. С ростом силы тока и давления hq „т уменьшается. Оптимальная, величина напряженности магнитного поля лежит в диапазоне от нескольких десятков тысяч до (2*3)- 1СГ³ А/м. Исследования показывают, что падение мощности генерации при полях напряженностью, большей оптимальной, когда образуется значительная концентрация заряженных частиц на оси разрядной трубки, связано главным образом с эффектом пленения резонансного излучения и ростом числа тушащих соударений ионов с электронами, приводящими к безизлучательной дезактивации верхних рабочих уровней.

Как уже отмечалось, инверсия населенностей в дуговом аргоновом  разряде обеспечивается для систем уровней, соответствующих электронным  конфигурациям Зр 4р и Зр4S ионов  аргона. Потому при выполнении пороговых  условий в аргоновом ОКГ мэхвт  возникнуть генерация когерентного излучения на целом раде переходов  этой системы уровней.

В аргоновых ОКГ генерация  наблюдается на многих длинах волн, лежащих в пределах от фиолетовой (450 нм) до зеленой (530 мн) области. Наиболее интенсивная генерация идет на линии 488 нм, отвечающей переходу p^гD^ocln -- sPw * Незначительно ей уступает по интенсивности генерация на переходе Рю-- -- Чвс длиной волны 514,5 нм. В линиях 488 и 514,5 нм может заключаться соответственно до 45 и У?% общей мощности генерации. Для этих линий обеспечиваются наибольшие величины инверсии населенностей и соответственно большие коэффициенты усиления. Измерение усиления для ОКГ с капилляром 0,5 см при давлении 10 Па и плотности тока 600 А/см для перехода о А, = = 488 нм дает величину I3-IO"³ см"¹, для перехода с A=5I4,5i»i-примерно 3,6-Ю"³ см"¹.