Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

Интересно, что восстановить (увидеть) изображение объекта можно по любой части голограммы, так как любая ее точка несет информацию обо всем объекте. Однако использование небольшой части голограммы приводит к ухудшению качества восстанавливае­

мого изображения.

Восстановить изображение можно также при просмотре голо­ граммы в свете ОКГ с другой длиной волны, но при этом проис­ ходит изменение масштаба изображения пропорционально отно­

шению длин волн.

Возможно получение цветного объемного изображения. Для этого необходимо снимать голограмму одновременно тремя ОКГ с длинами волн, соответствующими трем основным цветам. Вос­ становление изображения производится в проходящем свете этих же трех источников света.

Создание мощных ОКГ привело к возникновению новой области физики — нелинейной оптики, которая изучает эффекты, зависящие от интенсивности светового излучения.

Очевидно, что влияние внешнего поля на оптические свойства вещества проявляется, если напряженность электрического поля

орбиты (г0« ІО-8 см), дает Еа ж ІО9 В/см.

Обычные источники света с интенсивностью (1—10) Вт/см2 со­ здают поля (0,1—10) В/см. Поэтому можно считать, что в этом случае отсутствует какое-либо влияние внешнего поля на движение электронов и на оптические свойства вещества. С помощью мощных ОКГ можно получить интенсивность (ІО8— 1010) Вт/см2, при кото­ рой напряженность поля Е ä; ІО5—ІО7 В/см. Такое поле уже не­ обходимо учитывать, особенно в веществах, где напряженность внут­ риатомного поля Еа X- (ІО7—108) В/см (например, в полупровод­ никах).

Обычно пользуются понятием поляризации. Связь между поля­

где к — электрическая восприимчивость, связанная с диэлектри­ ческой проницаемостью среды е или коэффициентом преломления п соотношениями:

В нелинейной оптике связь между SP и Е выражается степенным рядом:

200

Нелинейная связь Э0 и Е должна приводить к явлениям, извест­ ным из радиотехники, например к детектированию, появлению гар­ моник и комбинационных частот. Нелинейная зависимость (12.13) также означает, что диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления уже непостоянные и становятся зависимыми от на­ пряженности Е или интенсивности внешнего поля. С ростом Е по­ казатель преломления и диэлектрическая проницаемость увеличи­ ваются. Это означает, что одновременно изменяется фазовая ско­ рость волны и коэффициент поглощения среды. Установлено, что

фотонное поглощение связано с квадратичным членом в (12.13).

ОКГ с параметрическим возбуждением и с плавно перестраиваемой частотой. Уже разработаны параметрические генераторы света,

в которых частота плавно изменяется от видимого до далекого ин­ фракрасного диапазона (0,65—2,5 мкм). Параметрический принцип возбуждения позволяет также осуществить генерацию гармоник.

Необходимо отметить использование ОКГ в научных исследо­ ваниях, например при измерениях плотности плазмы и распределе­ ния концентрации электронов в плазме. Излучение мощных ОКГ используется в физико-химических исследованиях. Под воздейст­ вием излучения происходит разрушение химических связей. Воз­ можно создание разрядов в воздухе и других газах. ОКГ приме­ няют в медицине при некоторых операциях; широко используют в технологических процессах. Применение ОКГ в логических эле­ ментах может привести к созданию сверхбыстродействующих ЭВМ.

В настоящее время проводят исследования по использованию ОКГ большой мощности для получения термоядерных реакций. Предполагают, что с помощью лучей большого числа мощных ОКГ,. направленных на мишень, состоящую из смеси изотопов дейтерия

201

и трития размерами порядка 1 мм, удастся нагреть ее до температуры 100 млн. градусов, при которой начнется термоядерный синтез. Процесс нагрева должен проходить настолько быстро, чтобы мишень не успела заметно рашириться. В качестве мощных ОКГ предпола­ гают использовать импульсные ОКГ на неодимовом стекле и на уг­ лекислом газе.

в этом ОКГ служит смесь двух газов — гелия и неона, а рабочими уровнями —■энергетические уровни возбужденных атомов неона. ОКГ, в которых используются уровни возбужденных атомов, на­

зывают атомарными.

Упрощенная диаграмма нижних энергетических уровней гелия

быстрый и медленный электроны. В результате соударения кинети­ ческая энергия электрона уменьшается.

Если электроны в разряде имеют более высокую энергию, то может происходить ионизация атомов гелия. Энергетический уро­ вень иона гелия располагается выше уровня 5 (энергия 24,6 эВ).

Появившиеся в результате разряда возбужденные атомы гелия сталкиваются с невозбужденными атомами неона — другого газа смеси. В результате неупругих соударений возбужденный атом ге­ лия Не (5) передает свою кинетическую энергию невозбужденному атому неона Ne(l) и переходит в основное состояние Не(1). При этом

202

катому неона, а небольшой излишек энергии атома гелия переходит

вкинетическую энергию сталкивающихся атомов.

Для получения инверсной населенности важно также соотноше­ ние времен жизни уровней 4 и 3 рабочего перехода. Время жизни верхнего уровня 4 перехода, связанное со спонтанным излучением, должно быть больше, чем у нижнего уровня 3. При этом условии скорость убывания населенности верхнего уровня меньше скорости убывания населенности нижнего уровня и таким образом возможно поддержание инверсной населенности. Для гелий-неонового ОКХ это условие выполняется, так как время жизни верхнего уровня около ІО-7 с, а нижнего уровня — около ІО“8 с.

Атомы гелия являются посредниками при передачи энергии от быстрых электронов к атомам неона. Поэтому гелий можно назвать вспомогательным, а неон —основным, или рабочим, газом. Вообще существует и обратный, нежелательный, процесс — пере­ дача энергии от атомов неона к атомам гелия. Чтобы преобладала передача энергии от атомов гелия к атомам неона, необходимо зна­ чительное преобладание концентрации вспомогательного газа (ге­ лия) над концентрацией неона. Обычно отношение концентраций гелия и неона составляет 5—15.

Увеличение населенности уровня Ne (4) может при определен­ ных условиях привести к получению инверсной населенности пере­ хода 4—3. При этом необходимо иметь в виду, что в разряде идет не только возбуждение атомов гелия, но и атомов неона. В резуль­ тате неупругих соударений быстрых электронов с атомами неона может происходить образование возбужденных атомов неона, харак­ теризуемых уровнями 2, 3 и 4. При этом имеются как прямые пере­ ходы с уровня 1 на каждый из верхних, так и ступенчатые, когда атом переходит в состояние 2, а после нового столкновения с электроном в состояние 3 и т. д.

Установлено, что прямое возбуждение уровней 3 и 4 можно не учитывать. Значение ступенчатого вобуждения весьма существен­ но при больших токах разряда, так как уровень 2 в разряде интен­ сивно заселяется, а время жизни для него велико (метастабильный уровень). При достаточно большой населенности уровня 2 увеличи­ вается число возбужденных атомов в состоянии 3, получившихся в ре­ зультате ступенчатого возбуждения, т. е. дополнительного возбуж­ дения атомов Ne (2) электронами. Это увеличивает населенность уровня 3 и снижает разность населенностей уровней 4 и 3.

Следует иметь в виду, что населенность уровня Не (5) опреде­ ляется числом быстрых электронов и поэтому примерно пропор­ циональна току разряда. В то же время ступенчатый процесс за-

203

селения уровня Ne (3) через промежуточный уровень Ne (2) пример­ но квадратичен числу электронов или току разряда. При больших токах разряда преобладает второй процесс, поэтому происходит увеличение населенности уровня Ne (3), уменьшается инверсия населенностей уровней перехода 4—3 и возможен срыв колебаний.

Для борьбы с этим нежелательным явлением необходимо избе­ гать роста населенности уровня 2. Причиной, которая может пере­ водить атомы неона из метастабильного состояния 2 в основное, является соударение атомов со стенками сосуда в результате диф­ фузии. Поэтому следует облегчить диффузию возбужденных частиц

Окна Брюстера

к стенкам. Очевидно, для этой цели необходимо уменьшить диаметр газоразрядной трубки. Поэтому в гелий-неоновых ОКТ диаметр

натор, находятся вне газоразрядной трубки (кюветы). Возможно расположение зеркал и внутри кюветы, но первый вариант имеет следующие преимущества: упрощает юстировку зеркал для полу­ чения оптимального режима генерации, предотвращает разрушение отражающего слоя зеркал при бомбардировке ионами разряда, уп­ рощает замену зеркал.

Однако при внешнем расположении зеркал появляются допол­ нительные потери в торцовых стенках кюветы.

Потери в торцовых стенках можно практически устранить, если угол падения равен углу Брюстера, который определяется соотно­ шением: tg г'о = п, где п — коэффициент преломления. Известно, что при этом угле падения волна, плоскость поляризации которой совпадает с плоскостью падения, проходит без отражения, т. е. без потерь. Излучение с любой другой поляризацией имеет потери: отразившись, оно уходит в сторону. Надо расположить торцовые стенки так, чтобы угол между перпендикуляром к стенке и осью трубки был равен углу Брюстера. В этом случае излучение с одной (параллельной) поляризацией будет без потерь на отражение прохо­ дить через торцовые стенки и попадать на зеркала резонатора. От-

204