Рубиновый оптический квантовый генератор

Содержание:

1. ОКГ на твёрдом телетАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.	2
2. Активный элемент рубинового ОКГтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.	4
3. Работа рубинового ОКГтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж	8
4. ОсветителитАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.	14
5. Использованная литературатАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.	16

ОКГ на твёрдом теле.

Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) на твердом теле называют такие оптические кванВнтовые генераторы, в которых в качестве активной усиливающей среды используется кристаллический или аморфВнный 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, нахоВндящегося в твердом агрегатном состоянии.

При рассмотрении твердотельных ОКГ следует учиВнтывать принципиальные особенности таких приборов. Концентрация активных частиц в твердом материале (1017 тАФ 1020 см~3) на несколько порядков превышает конВнцентрацию частиц в газовых средах. Поэтому в твердом теле населенности энергетических уровней значительно больше. Естественно, что и абсолютная величина инверВнсии заселенностей может быть существенно больше, чем в газах. Отсюда понятно, что твердые активные среды должны характеризоваться высоким коэффициентом усиВнления. Это позволяет, во-первых, получать большие мощВнности 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 расВнсеяние, снижению добротности резонатора при значительВнной длине активного элемента. Поэтому нет смысла делать активные элементы большой длины. Активные элементы твердотельных ОКГ имеют длину не более 50тАФ60 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, оцениваеВнмый даже из дифракционных соображений, оказывается значительным. В твердотельных ОКГ угол расхождения измеряется десятками минут.

В твердом теле взаимодействие между частицами сущеВнственно 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 харакВнтерна 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 принВнципиально отличается от накачки в газовых и полупроводВнниковых ОКГ, он не может быть связан с прохождением электрического тока через твердый диэлектрик. Для твердоВнтельных ОКГ характерна так называемая оптическая накачка. При оптической накачке заселение возбужденных состояний достигается путем интенсивного облучения активного материала излучением внешнего источника. СпеВнциально подобранный спектральный состав этого излучения или определенное соотношение между вероятностями соотВнветствующих переходов приводит к преимущественному заселению верхнего рабочего состояния и возникновению инверсии.

Активный элемент рубинового ОКГ.

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

Промышленностью выпускаВнются активные элементы из синтетического рубина, техниВнческие требования и размеры которых установлены станВндартами: ОСТ 3-24тАФ70 и ОСТ 3-25тАФ70.

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 90В°. Боковая поверхность обрабатывается одним из следующих способов: шлифовкой в пределах 5тАФ10 класВнсов чистоты, механической полировкой, при которой достиВнгается чистота поверхности не ниже 12-го класса, а также химической или шероховатой полировкой. Диаметр активВнного 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 неоднородноВнстью. Источниками этой неоднородности являются дефекты кристаллической решетки (дислокации, блоки, плоскости скольжения, инородные включения, неравномерное распреВнделение ионов хрома в образце). Наличие дефектов в криВнсталлах вызывает появление в них внутренних напряжений. Неравномерное распределение в объеме кристалла ионов трехвалентного хрома вызывает значительную неоднородВнность показателя преломления и появление деформации решетки, что вызывает аномальное двулучепреломление.

На угловую расходимость и деформацию волнового фронВнта наибольшее влияние оказывают механические напряжеВнния и неравномерность концентрации хрома по сечению. Существующая в настоящее время технология выращиваВнния рубинов не обеспечивает равномерное распределение хрома в поперечном сечении образца. Центральная часть образца имеет меньшую концентрацию хрома и, следоваВнтельно, меньший, чем на периферии образца, коэффициент преломления п. Кроме того, может иметь место скачкообразное измеВннение показателя преломления на границах некоторых участков кристалла. В результате роста в кристалле возВнникают и внутренние деформации. Все это приводит к тоВнму, что образец со взаимно параллельными торцами в опВнтическом отношении эквивалентен рассеивающей линзе. Плоская волна, проходя через активную среду, из-за радиВнального изменения показателя преломления, вызываемого деформациями и неоднородностью концентраций хрома, в значительной степени искажается. Это приводит к повыВншенной 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, распредеВнление интенсивности излучения и селекцию мод. РаспреВнделение и величина напряжений в кристаллах определяютВнся измерением положений интерференционных полос в карВнтинах двойного лучепреломления, которые определяются изменением оптической длины пути для обыкновенного и необыкновенного пучков зависимостью:

где nо и nе тАУ показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного пучков; la тАУ длина активного тела; mи тАУ порядок интерференции.

Величина напряжения ξ определяется следующей завиВнсимостью:

где Вф тАФ постоянная фотоупругости.

Величины напряжений, получаемые при использовании усредненного значения постоянной фотоупругости Вф=0,9*10-7 см2/кг, равны: ξ=100 кг/см2 для образцов низкого качества. Параметры внутренних напряжений в рубиновых стержнях являются удовлетворительным криВнтерием при отборе образцов для одномодовой (ТЕМоо) генерации. Образцы высокого качества (ξ<30 кг/см2) обеспечивают генерацию одной поперечной моды в достаВнточно 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 кристалВнла. Механические напряжения вызывают двойное лучеВнпреломление, и кристалл рубина становится двуосным. Неоднородность напряжений в кристалле вызывает дополВннительное искажение сферической волновой поверхности.

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

Одним из факторов, ограничивающих энергетические параметры лазера, является стойкость рубина к воздейВнствию мощного излучения, при определенных плотностях которого начинается разрушеВнние торцов или объема маВнтериала. Под действием лаВнзерного излучения большой мощности в первую очередь разрушаются торцевые поверхВнности 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 поверхноВнсти для рубиновых образцов с монокристаллической струкВнтурой поверхности в несколько раз выше. чем для рубинов с аморфной структурой поверхности. Тщательно полироВнванная поверхность имеет более высокую поверхностную стойкость. В диапазоне коротких импульсов пороговая мощность поверхностного разрушения Pпор тАУ пропорциональна 1/tимп, где tимп тАУ длительность импульса.

График, представленный на рис.1, показывает, что для длинных импульсов пороговая мощность не меняется и не зависит от tимп. 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 поверхВнностной и составляет величину 3 тАв1010 вт/см2.

Работа рубинового ОКГ.

Рубин тАФ кристаллический минерал, имеющий окраску от бледно-розовой до ярко-красной; структура рубина тАФ кристаллическая решетка Al2O3 с внедренными в нее трехзарядными ионами хрома. Содёржание хрома обычно колеблется в пределах от 0,05 до 0,5%. Цвет кристалла определяется содержанием хрома тАФ 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 выращиВнвания кристаллов рубина для ОКГ претерпела существенВнное совершенствование.

В рубиновом ОКГ кристаллическая решетка Al2O3 является матрицей, а ионы хрома тАФ активатором. ЭлекВнтронная конфигурация основного состояния трехзарядного иона хрома тАФ 3d3. Вследствие взаимодействий между ионами кристаллической решетки основное состояВнние асщеплено на ряд уровней. Схема нижних энергетиВнческих уровней приведена на рис.2.

Два близко расВнположенных 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 тАФ 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 (Δλ=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.

В результате поглощения излучения накачки ионы хрома переходят в одно из состояний 3. За счет спонтанного безызлучательного распада этих соВнстояний ионы оказываются в метастабильных состояниях 2. Поскольку в данном случае выполняется условие γ32>γ21, населенность состояний 2 при соответствующей плотности накачки может превысить населенность невозВнбужденного состояния и на переходах 2→1 возникает генерация.

В рубиновом ОКГ генерация осуществляется на двух линиях (в соответствии с расщеплением состояния 2), которые обычно обозначают R1 и R2. Длина волны этих линий зависит от температуры кристалла, так как темпеВнратура изменяет характер внутрирешеточного расщеплеВнния основного ионного состояния. Зависимость длины волны генерации от температуры кристалла является специфической особенностью твердотельных ОКГ. ЗнаВнчения длины волны генерации на рубине при

комнатной и азотной температурах приведены в табл.2.

Таблица 2.

Генерация на рубине в настоящее время реализуется как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Для импульсного режима характерны миллисекундные импульВнсы генерации, в .этом случае используются импульсные ксеноновые лампы. Пороговая энергия накачки зависит при выбранной лампе от объема и температуры кристалла, а также от конструкции системы накачки. Используются кристаллы диаметром от 12тАФ15 мм и длиной до 15тАФ20 см.

Обычно уровень пороговой энергии для рубина составляет сотни джоулей. С ростом энергии накачки растет и энергия в импульсе лазерного излучения. Теоретическую зависиВнмость энергии генерации от энергии накачки можно предВнставить, используя проведенный выше анализ работы трехВнуровневой схемы. Энергия в импульсе лазерного излучения сначала возрастает линейно с ростом энергии накачки, а затем насыщается.

На рис.6 показаны экспериментальные точки этой зависимости и сплошной линией - теоретическая зависимость.

Энергия генерации у наиболее мощных рубиновых ОКГ достигает десяти джоулей. Если учесть, что длительность импульса ~10 мсек, то средняя мощность в импульсе генерации составит ~1кВт. Коэффициент полезного действия рубиновых ОКГ не превышает 1 %.

В последнее время появились работы, в которых описывается генерация на рубине в непрерывном режиме.

Для этого используются кристаллы относительно небольВншого размера и, как правило, система охлаждения. ПороВнговая мощность накачки даже для малых кристаллов достигает 1000 Вт. Эта величина существенно зависит от выбора лампы накачки и конструкции системы накачВнки. Мощность, генерируемая рубиновым ОКГ в непреВнрывном режиме,тАФ порядка сотни милливатт.

Для улучшения эффективности систем накачки в ряде случаев используются модифицированные конструкции активного элемента.

Концентрация излучения в образце приводит к неполному использованию активной среды и к снижению эффективности системы накачки. Чтобы устранить вредное влияние концентрации излучения накачки, стержень активного элемента рубинового ОКГ делают составным. Внутренняя часть стержня представляет собой рубин, а внешняя оболочка тАФ сапфир, т. е. неактивированную решетку Al2O3. Сапфир обладает тем же показателем преломления, поэтому граница раздела рубин - сапфир не искаВнжает хода лучей.

Тогда все лучи, падающие на поверхность образца, пройВндут сквозь рубин.

Вместо сапфировой оболочки для тех же целей могут-использоваться иммерсионные жидкости. В этом случае одновременно решается проблема охлаждения.

Иммерсионная жидкость должна иметь показатель преВнломления, близкий к показателю преломления рубина (n = 1,76). В качестве иммерсионных жидкостей применяется раствор SnCl2*2H2O в глицерине (n = 1,76) и водВнный раствор SnCl2*2H2O (n = 1,6).

Другое усовершенствование формы кристалла рубина используется при накачке в оптических и солнечных печах, когда излучение накачки удобнее вводить в кристалл через торцевую поверхность. В этом случае на входном торце наращивают сапфировый конус, как показано на рис.7. Это приводит к увеличению эффективности системы накачки.

Осветители.

В твёрдотельных ОКГ для получения инверсной населённости применяется оптическая накачка с помощью импульсных ламп или ламп непрерывного горения. Для повышения эффективности накачки лампу и активное тело размещают в осветителе, представляющем собой, как правило, замкнутую оптическую систему, в которой излучаемая лампой световая энергия специальными отражателями направляется на активное тело.

Концентрация световой энергии осветителем осуществляется далеко не идеально. Наряду с низкой эффективностью превращения электрической энергии в световую (35-50%) и неполным использованием поглощенной активным телом энергии (6-15%), потери в осветителе (30-70%) являются одним из основных факторов, определяющих к.п.д. твёрдотельных лазеров(0.1-5%).

Выбор типа осветителя зависит от требований, предъявляемых к лазеру в каждом конкретном случае. Например, в одномодовом генераторе, предъявляются повышенные требования к равномерности и симметрии в распределении энергии накачки по сечению активного тела. В других случаях основным требованием является максимальная эффективность светопередачи. В установках с большой выходной энергией используются многоламповые осветители, которые при сравнительно невысокой своей эффективности обеспечивают наибольшую величину светового потока. Некоторые наиболее употребимые типы осветителей представлены на рис.8.

Использованная литература:

Е.Ф.Ищенко, Ю.М.Климков. Оптические квантовые генераторы.

М., Советское радио, 1968.

2. Б.Р.Белостоцкий, Ю.В.Любавский, В.М.Овчинников.

Основы лазерной техники. М., Советское радио,1972.

Вместе с этим смотрят:

Сверхпроводимость
Светолучевые и электроннолучевые осциллографы
Сжатие речевого сигнала на основе линейного предсказания
Синтез цифрового конечного автомата Мили