Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

ходящие для возбуждения атомы. Такими атомами явились ато­ мы хрома, примешанные в кристаллическую решетку рубина. Этот процесс осуществляется путем замены в окиси алюминия некоторого числа атомов алюминия атомами трехвалентного хрома. Обычно содержание атомов хрома в рубине составляет 0,05-—0.5%. Окраска рубина в красный цвет от бледно-розовых оттенков до темно-впшневого возникает потому, что атомы хрома под воздействием обычного дневного света, поглощая его в зеле-

Рис. 3.3. Схема энергетических уровнем рубина с прн.месыо хрома:

1—основное состояние; 2—метастабильиос состояние (уровень R): Л—зона поглощения: а —синего цвета; б — зеленого; Ф|—фотоны возбуждения; Ф,,—фотоны излучения

ной и желтой полосах, легко возбуждаются, а затем спонтанно возвращаются в исходное положение. Переход на основной уро­ вень сопровождается излучением на длине волны 6943 А, что со­ ответствует красному цвету, чем и объясняется характерный красный свет рубиновых кристаллов.

Свойство атомов хрома легко возбуждаться используется при создании квантовых генераторов. Задача состоит в том, чтобы выбрать время освещения кристалла и силу света такими, кото­ рые бы обеспечивали не только возбуждение атомов хрома и переход их на верхний уровень, но и удержание их на этом уров­ не до момента получения инверсного состояния.

Для получения состояния с инверсной населенностью исполь­ зуются метастабильные уровни рубина, схема энергетических со­ стояний которого показана на рис. 3.3.

При освещении кристалла рубина (исходное состояние I) достаточно мощным источником света атомы хрома, поглощая сине-зеленую его часть (фотоны Фt) , возбуждаются и переходят на верхние уровни 3 (положение II) с некоторым избытком энер­ гии. Через короткий промежуток времени атомы самопропзволь-

68

но начинают возвращаться в исходное положение, теряя избы­

торое время свою энергию.

Поскольку вероятность перехода этих атомов из метастабильного состояния в основное меньше вероятности перехода с уров­ ня 1 на уровень 3, то за время нахождения их в неустойчивом положении создается избыточная населенность уровня 2. Если нет внешнего воздействия, то, продержавшись на уровне 2 не­ сколько миллисекунд, атомы спонтанно начнут совершать пере­ вод на уровень 1, излучая фотоны Ф2 (положение IV).

Эти фотоны с />.= 6943А, сталкиваясь при своем движении с другими возбужденными атомами хрома, находящимися в неус­ тойчивом состоянии, лавинообразно вызовут индуцированное из­ лучение. В результате возникнет поток фотонов — излучение на длине волны 6943 А. Легко понять, что это излучение, хотя оно когерентно п монохроматично, будет маломощным и ненаправ­ ленным, ибо кристалл излучает во всех направлениях одинаково (направление движения фотонов в кристалле ничем не регулиру­ ется) .

Чтобы создать направленное излучение и увеличить его мощ­ ность, необходимо упорядочить движение фотонов, заставить их двигаться в одном направлении и многократно проходить через кристалл. Это достигается специальной обработкой поверхности кристалла (полировкой) и расположением его между двух па­ раллельных зеркал, как это показано на рис. 3.4, а. Зеркала яв­ ляются объемным резонатором в генераторе, так как поток фото­ нов. отражаясь от них, снова возвращается в кристалл, вовлекая в процесс излучения все новые и новые фотоны (рис. 3, 4, в, г). Часть вылетающих из кристалла фотонов компенсируется много­ кратным отражением от стенок резонатора других фотонов. В результате такого многократного прохождения излучения че­ рез кристалл значительно увеличивается мощность излучения. Усиленный таким образом поток фотонов выводится через одно из зеркал резонатора, сделанного для этих целей полупрозрач­ ным.

Таким образом, в физической основе работы оптических кван­ товых генераторов заложены принципы получения когерентного, узконаправленного, монохроматичного и значительного по мощ­ ности излучения.

Ознакомившись с физическими принципами работы генерато­ ра на твердом теле, можно составить его принципиальную схему

(рис. 3.5).

Квантовый генератор состоит из активного вещества 1, объ­ емного резонатора 2, источника возбуждения 3, который иногда называют источником подкачки, накачки или подсветки, и источ­ ника питания 4. Кроме этих основных элементов, в комплект ап­

69

паратуры входят модулирующие устройства, работа которых бу­ дет рассмотрена ниже.

А к т и в н ы е в е щ е с т в а . В качестве активных веществ в квантовых генераторах, кроме кристаллов рубина, используют и другие кристаллические вещества, а также пластмассы и стек­ ла с различными примесями.

Рис. 3.4. К пояснению процесса усиления фотонов в кристалле рубина с примесыо хрома:

я—невозбужденное состояние; б—воздействие подсветки; Л—

В табл. 3.1 приведены некоторые материалы, используемые в качестве активных веществ квантовых генераторов на твердом теле. Основными материалами для твердотельных ОК.Г явля­ ются рубин, стекло и иттриевоалюминиевый гранат (ИАГ).

Кристаллы рубина и стекла с неодимом изготовляют в виде стержней круглого, квадратного или шестиугольного сечения.

70

Таблица 3.1

Материалы, используемые для квантовых генераторов на твердом теле

Боковые поверхности полируют с оптической точностью. Диаметр стержней 0,5—1,0 см для рубина и до 5,0 см — для стекла; дли­ на стержня до 50—100 см. Торцовые поверхности стержней па­

71

раллельны с точностью до 3—9 угловых секунд. Наибольшая энергия, снимаемая с 1 см3 материала, составляет: для рубина 0,15—2. для стекла 1,2—5 и 0,15—0,5 Дж для граната в зависи­ мости от режима работы. Эти цифры очень важны, так как поз­ воляют определить максимально возможную мощность ОКТ при заданных размерах активного элемента.

Система возбуждения состоит обычно из источника света (на­ качки) п отражателя (осветителя), концентрирующего излучение источника накачки на активном веществе. В качестве источников

руется в другой фокальной оси, т. е. там, где расположено ак­ тивное вещество. Для увеличения энергии источника накачки может быть пспользозано несколько ламп (рис. 3.6, «).

Энергия излучения ламп накачки достигает нескольких тысячджоулей. Источником накачки может служить и солнечная энергия. Для концентрации солнечной энергии используют зер­ кально-линзовые оптические системы.

Основными источниками питания генераторов являются про- -мышлеиная сеть переменного тока или специальные преобразо­ ватели постоянного тока. Напряжение этих первичных источни­ ков служит для зарядки батареи конденсаторов, разряд которых используется для зажигания ламп накачки. Все эти элементы системы возбуждения объединяют н электрическую схему ге­

нератора.

Пример электрической схемы системы возбуждения генера­ тора на рубине показан па рис. 3.7. Схему можно разделить на три части —■ блок питания, блок запуска и блок (лампа) на­ качки. Блок питания обеспечивает энергией заряд конденсаторов п состоит из трансформатора Тр 1, выпрямителя В1 п конденса­

72

тора Cl, напряжение с которого подается на электроды лампы накачки Л.

Блок запуска генерирует импульс высокого напряжения, ко­ торое подается на запускающий электрод лампы накачки, чем обеспечивается начальный пробои в лампе. Блок состоит из трансформатора Тр2, выпрямителя В2, конденсатора С2 и им­ пульсного трансформатора ТрЗ.

Схема работает следующим образом. При включении пере­ ключателя К в положение «1» напряжение от сети подается па

3

8)

Рис. 3.6. Рефлекторы:

цилиндрический; 6 — эллиптический; в—полиэллпитлческшк / — актникоо вещество; ^—источник накачки; <7—тип отражателя

трансформаторы Тр 1 п Тр2. Со вторичных обмоток этих транс­ форматоров напряжение подводится к выпрямителям. Выпрям­ ленное напряжение заряжает конденсаторы Cl п С2. При этом конденсатор С1 подключен к лампам накачки. После этого пере­ ключением переключателя К в положение «2» осуществляется запуск схемы. В этот момент силовые трансформаторы Тр 1 п Тр2 отключаются от сети, а конденсатор С2 разряжается через трансформатор ТрЗ, с вторичной обмотки которого на запускаю­ щий электрод лампы подается импульс тока напряжением до 40 кВ, вызывающий ионизацию газа в лампе накачки. Внутрен­ нее сопротивление лампы резко падает н через нее разряжается конденсатор С1, вызывая мощный световой импульс. Этим им­ пульсом обеспечивается возбуждение атомов хрома в кристалле рубина. Для получения новой вспышки необходимо снова заря­ дить конденсаторы.

Очевидно, при такой схеме генератор может работать только в импульсном режиме (так называемый импульсный генератор). Частота посылок световых импульсов определяется параметра­ ми электрической схемы и температурой кристалла рубина. Из­ быточная энергия, отдаваемая атомами хрома при их переходе из зоны возбуждения в метастабильное состояние, нагревает кристалл. Если время между зарядами конденсаторов, а следо­ вательно, и вспышек мало, то кристалл не успевает отдать тепло внешней среде и разогревается. Разогрев кристалла может вы­

73

вести его из строя. Поэтому при значительной частоте вспышек применяют искусственное охлаждение кристалла водой, возду­ хом, жидким азотом. По этим же причинам охлаждения требуют и некоторые другие рабочие вещества. На рис. 3.8 показано уст­ ройство ОКГ с охлаждением активного элемента и лампы на­ качки. В одном из фокусов эллиптического рефлектора 1 поме­ щается активный элемент 2 с оболочкой (рубашкой) 3 для ох­ лаждающей жидкости. В другом фокусе рефлектора размещается лампа накачки 4 с оболочкой 5 для охлаждающей жидкости.

Рис. 3.7. Принципиальная электрическая схема квантового генератора:

BL Б2—выпрямители; С, С2—накопительные конденсаторы; Тр1, Тр2, ТрЗ—трансфор­ маторы; К—выключатель; Д —дроссель

Зеркала 6 и 7 служат резонатором, усиливающим излучение, вы­ ходящее из активного элемента 2. При этом зеркало 6 является «глухим», оно только отражает излучение, а зеркало 7, через ко­ торое выходит луч генератора 9, сделано полупрозрачным. Ох­ лаждающей жидкостью 10 может служить вода, смесь воды со спиртом пли другая какая-либо смесь, которая при омыванпп активного элемента н лампы накачки поглощает выделяемое ими

ванных фотонов света через активное вещество в рубиновом ге­ нераторе использовались зеркальные плоские поверхности, меж­ ду которыми помещался кристалл рубина. Иногда этими поверх­ ностями служат полированные и посеребренные торцы кри-

74