Оптические квантовые генераторы на твердом теле

В оптических квантовых генераторах на твердом теле, или твердотельных ОКГ, в качестве активной усиливающей среды ис­пользуются кристаллы или аморфные диэлектрики. Рабочими части­цами, переходы меяду энергетическими состояниями которых опре­деляют генерацию, как правило, являются ионы атомов переходных групп Периодической таблицы Менделеева, Наиболее часто используются ионы Na3+, Cr3+, Но3+, Pr3+ . Активные частицы состав­ляют доли или единицы процента от общего числа атомов рабочей среды, так что они как бы образуют "раствор" слабой концентра­ции и потому мало взаимодействуют друг с другом. Используемые энергетические уровни представляют собой уровни рабочих частиц, расщепленные и уширенные сильными неоднородными внутренними полями твердого вещества. В качестве основы активной усиливаю­щей среды используются наиболее часто кристаллы корунда (Al2O3), иттриево-алюминиевого гранатаYAG (Y3Al5O12), разные марки стекол и т.д.

Инверсия населенностей в рабочем веществе твердотельных ОКГ создается методом, анало­гичным используемому в парамаг­нитных усилителях. Она осуще­ствляется с помощью оптической накачки, т.е. воздействием на вещество светового излучения вы­сокой интенсивности.

Как показывают исследова­ния, большинство существующих в настоящее время активных сред, используемых- в твердотельных ОКГ, удовлетворительно описыва­ются двумя основными идеализи­рованными энергетическими схе­мами: трех- и четырехуровневой (рис.71).

Рассмотрим вначале метод создания инверсии населенностей в средах, описываемых трехуровневой схемой (см.рис.71,а). В нормальном состоянии заселен лишь нижний основной уровень 1 (энер­гетическое расстояние между уровнями значительно больше kT), так как переходы 1—>2, и 1—>3) принадлежат оптическому диапа­зону. Переход между уровнями 2 и 1 является рабочим. Уровень 3 вспомогательный и используется для создания инверсии рабо­чей пары уровней. Он в действительности занимает широкую поло­су допустимых значений энергии, обусловленную взаимодействием рабочих частиц с внутрикристаллическими полями.

Для создания инверсии рабочее вещество облучают интенсив­ным светом с частотным спектром, соответствующим переходу меж­ду уровнями 1—>3. С уровня 3 атомы переходят на уровень 2, . Этот переход, как правило, является безизлучательным. Энергия при этом идет на нагревание рабочего тела. При достаточной ин­тенсивности накачки на уровне 2. удается получить больше ато­мов, чем их остается на основном уровне, т.е. возникает инвер­сия населенностей для рабочей пары уровней.

В активных средах, описываемых четырехуровневой схемой (см .рис. 71,б), переход 3-2 является рабочим, верхний уро­вень так же, как в трехуровневой схеме, представляет собой широкую полосу. Второй уровень находится от основного на энер­гетическом расстоянии, значительно большем kT. Поэтому при тер­модинамическом равновесии он практически не заселен. Большинство частиц, попавших на уровень 4 , затем переходит безизлучательным путем на уровень 3 , что при соответствующих условиях приводит к инверсии населенностей для пары уровней 3-2.

В четырехуровневой системе по сравнению с трехуровневой легче создать инверсию населенностей, так как нижний рабочий уровень не заселен. Для этого необходимо перевести незначитель­ное количество частиц с основного уровня на верхний рабочий. В трехуровневой системе для получения инверсии требуется пере­бросить на верхний рабочий уровень с основного по крайней мере половину частиц.

На рис.72, а приведена схема ОКГ на твердом теле. Она вклю­чает оптический резонатор, рабочее тело 1 , лампу накачки 2 с отражателем 3 , систему ее питания и зажигания разряда. Опти­ческий резонатор образован зеркалами r1 и r2. Обычно в них ис­пользуются многослойные интерференционные диэлектрические отражающие покрытия, в которых показатель преломления переменно меняется от слоя к слою. Слои наносят вакуумным напылением или химическим путем, они имеют толщину, равную четверти длины вол­ны в диэлектрике на рабочей частоте. С увеличением количества слоев коэффициент отражения возрастает. При n=15 и больше он превышает 99%.

Иногда в качестве отражающих покрытий используются сереб­ряные пленки, но они позволяют получать коэффициент отражения не выше 95-96% и в отличие от интерференционных диэлектрических покрытий имеют большое поглощение, а потому часто выгорают в процессе работы. Одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным для вывода энергии. Коэффициент пропускания выход­ного зеркала выбирается так, чтобы вывести из ОКГ максимальную энергию. При малом коэффициенте пропускания будет выводиться лишь незначительная доля энергии из резонатора. В случае боль­шого пропускания ухудшаются условия возбуждения колебаний. При некотором пропускании выходного зеркала генерация срывается, так как не выполняются пороговые условия. Оптимальный коэффи­циент пропускания, при котором выводится максимальная энергия генерации, зависят от качества кристалла, его длины, энергии накачки. Оптимальное пропускание выходного зеркала для боль­шинства твердотельных ОКГ составляет 20-60%.

Рабочее тело выполняют в форме стержня с хорошо обрабо­танными торцевыми поверхностями, имеющими плоскопараллельную или сферическую форму. Точность отклонения обработки торцевых поверхностей от заданной формы лежит в пределах десятых долей длины волны. Параллельность плоских торцов выдерживается с точ­ностью до нескольких угловых минут.

Иногда вместо внешних зеркал используются отражающие по­крытия, нанесенные непосредственно на торцы рабочего тела. Бо­ковая поверхность рабочих стержней частично или полностью де­лается матовой, чтобы предотвратить возбуждение типов колеба­ний, распространяющихся с отражением от боковых поверхностей.

Инверсия населенностей в рабочем теле создается методом оптической накачки. Как отмечено выше, пороговая мощность на­качки имеет величину до сотен ватт на кубический сантиметр ра­бочего вещества ОКГ. Столь высокая плотность мощности накачки приводит к сильному нагреванию рабочих тел ОКГ. Это вызывает трудности, часто непреодолимые, в реализации непрерывно­го режима накачки твердотельных ОКГ. Поэтому ОКГ на твердом теле, как правило, работают в режиме одиночных или периодиче­ски повторяющихся импульсов. Источником накачки служат газо­разрядные лампы. Наиболее часто используются импульсные ксено-новые лампы, обладающие наилучшей эффективностью преобразова­ния электрической энергии в световое излучение, спектральный состав которого соответствует линиям поглощения используемых активных сред.

Лампы конструктивно выполняются в виде прямой или свитой в спираль трубки с введенными на концах электродами. Для ини­циации разряда в лампах предусматривается специальный внутрен­ний или внешний поджигающий электрод. Лампы и рабочий стержень размещают внутри отражателя, обеспечивающего эффективность пе­редачи световой энергии накачки в активную среду. При исполь­зовании спиральных ламп рабочее тело помещается внутри них, а отражатель, выполняемый в виде кругового цилиндра, охватывает лампу.