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

числа уровней. Отсутствие разряда упрощает конструкцию и экс­ плуатацию ОКГ.

Для примера рассмотрим ОКГ с фотодиссоциацией молекул бромида таллия ТІВг. В этом ОКГ фотодиссоциация производится световым излучением ртутного разряда с длиной волны X = = 1,85 мкм, спектральные линии которого показаны в левой части рис. 12.17. Под действием этого излуче­ ния происходит диссоциация молекулы, на­ &І ходящейся в основном состоянии. На рис. 12.17 показан основной уровень 1 молекулы ТІВг, основной уровень 2 и два возбужденных уровня 3 и 4 атома таллия.

Оказывается, что уровень 3, оптические переходы которого запрещены, опусто­ шается только за счет ударной релакса­ ции. Таким образом поддерживается малое время жизни нижнего рабочего уровня 3. Верхний рабочий уровень таллия 4, интен­ сивно заселяется вследствие фотодиссоциа­

ции молекул. Поэтому в переходе 4—3 появляется инверсная на­ селенность и при ее достаточной величине наступает генерирование колебаний с длиной волны X — 0,535 мкм (зеленая линия).

Схема ОКГ с фотодиссоциацией показана на рис. 12.18. Отли­ чительная особенность состоит в расположении трубок с парами

Рис. 12.18

бромида таллия внутри ртутной газоразрядной лампы. Бромид таллия находится в специальном отростке. Вся установка помеще­ на в термостат с температурой 660° С, которая необходима для полу­ чения паров бромида таллия. Зеркала резонатора находятся вне термостата.

§ 12.6. Твердотельные ОКГ

Общая характеристика твердотельных ОКГ. ОКГ на твердом теле, или твердотельными ОКГ, называют оптические квантовые ге­ нераторы, в которых активной средой являются кристаллические

или аморфные диэлектрики. Для получения инверсной населенности используются энергетические уровни атомов и ионов, входящих в состав твердых веществ. Концентрация частиц в твердых вещест­ вах на несколько порядков больше, чем в газовых ОКГ. Поэтому имеется возможность получать большую населенность энергети­ ческих уровней, усиление и мощность на единицу объема.Такую же мощность, как в газовых ОКГ, можно получить при малой длине активного вещества. Однако необходимо отметить, что получить хорошую оптическую однородность в веществе большой длины труд­ но. Необходимо учитывать рассеяние излучения и понижение доб­ ротности резонаторов. Поэтому длина активных элементов твердо­ тельных ОКГ изменяется от нескольких до 50 см в наиболее мощных ОКГ. Небольшая длина активных элементов и неоднородности при­ водят к увеличению угла расходимости выходного излучения твер­ дотельных ОКГ (несколько десятков минут).

В твердых телах происходит сильное взаимодействие частиц, поэтому ширина энергетических уровней велика. Естественная ши­ рина спектральных линий, связанная со спонтанным излучением, составляет несколько ангстрем в кристаллах и несколько десятков ангстрем в стеклах. Ширина линий генерации также увеличивается

исоставляет доли ангстрема и больше.

Втвердотельных ОКГ используется метод вспомогательного излучения (оптическая накачка) для получения инверсной населен­

ности.

Резонаторы твердотельных ОКГ имеют следующие особенности. Роль зеркал выполняют торцовые поверхности активных стержней, на которые наносят отражающие покрытия. Специальной обработкой достигается требуемая параллельность торцовых поверхностей стержня. Иногда используют полное внутреннее отражение от торца, который в этом случае имеет форму призмы. Поперечный размер стержня круглой или квадратной формы составляет от нескольких миллиметров до 2—3 см.

Активный элемент ОКГ состоит из двух компонентов — основ­ ной среды (матрицы) и активной примеси, энергетические уровни которого используются в качестве рабочего перехода. В качестве матриц используют кристаллические материалы: корунд А120 3 (в рубиновом ОКГ), иттриевые гранаты, щелочно-земельные соли вольфрамовой H2W 04, молибденовой Н2Мо04 и плавиковой HF кислот. В качестве матриц применяют также аморфные вещества — стекла специального состава. В стеклах можно получить лучшую оптическую однородность, что позволяет увеличить длину актив­ ного вещества и повысить мощность.

В '|качестве активной примеси используют редкоземельные эле­ менты: неодим, диспрозий и др., а также хром и уран. Эти элементы

210

хрома показана на рис. 12.19. В результате воздействия сильного внутрикирсталлического поля основной уровень расщеплен на два подуровня 1, энергетический переход между которыми использу­ ется в квантовых парамагнитных усилителях (см. § 11.1). Сле­ дующие уровни также расщеплены на подуровни 2 и 3. Тепловые колебания ионов и дефекты кристаллической структуры вызывают местные изменения электрического поля, приводящие к размы­ тию энергетических уровней. Размытие подуровней 1 и 2 незначи­

переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Теперь можно объяснить получение инверсной населенности в рубиновом ОКГ. Под воздействием излучения источника света происходит возбуждение уровней 3 и увеличение их населенности. Вследствие процесса безызлучательной релаксации происходит быстрое уменьшение населенности уровней 3 и заселение метастабильных подуровней 2. Поэтому населенность подуровней 2 мо­ жет стать больше населенности основного уровня 1. Инверсная населенность при выполнении условий самовозбуждения обеспечит генерацию колебаний. Так как разрешены переходы в основное состояние с верхнего подуровня 2 и с нижнего, то возможна гене­ рация излучения в красной области с длинами волн X = 0,6943 мкм (6943Ä) и X — 0,6929 мкм (6929Â). Наиболее благоприятные усло­ вия для генерации излучения с X = 0,6943 мкм, однако, применяя специальные фильтры, можно обеспечить генерацию на длине волны

X = 0,6929 мкм.

Рубиновые ОКГ могут работать в импульсном и в непрерывном режимах. Для получения импульсного режима используют импульс­ ные ксеноновые лампы. Система оптической накачки содержит лам-

пу и элементы, обеспечивающие концентрацию светового тока на активный стержень. Эффективность системы оптической накачки определяют как отношение энергии, поглощенной в материале, к энергии, потребляемой лампой. Различные варианты систем оптической накачки показаны на рис. 12.20. Импульсные лампы имеют форму спирали (см. рис. 12.20, а), на оси которой расположен активный стержень, или цилиндра (см. рис. 12.20, б), расположен­ ного параллельно этому стержню. Зеркальные поверхности спе­ циальной формы концентрируют световой поток в стержне. Приме­ няется также возбуждение световым потоком в торец активного

стержня через переходное сапфировое устройство (см. рис. 12.20, в), в котором используется полное внутреннее отражение.

Импульсный режим работы ламп обеспечивается разрядом кон­ денсаторов, которые предварительно заряжаются от источника напряжением до нескольких киловольт. В излучение ОКГ обычно переходит около 25% подводимой к лампе мощности, остальная мощ­ ность выделяется в виде тепла. Это предъявляет определенные требования к конструкции ламп. С увеличением частоты повторения растет средняя мощность в разряде лампы, что уменьшает их срок службы. Работать на частотах выше 1 кГц трудно из-за перехода импульсного разряда в непрерывный дуговой. Для работы в непре­ рывном режиме используют специальные дуговые капиллярные лампы и лампы накаливания.

Выходная мощность рубинового ОКГ зависит от энергии на­ качки. Генерация начинается при некоторой пороговой энергии в несколько сот джоулей. В дальнейшем мощность излучения растет практически линейно. Энергия генерации у наиболее мощных рубиновых ОКГ достигает 10 Дж. Так как длительность импульса порядка 10 мс, то средняя мощность в импульсе составляет около 1 кВт. При этом к. п. д. не превышает 1%. В ОКГ непрерывного

212

действия используют кристаллы относительно небольшого размера, и выходная мощность таких ОКТ порядка 100 мВт.

Особенность рубинового ОКГ и других твердотельных ОКГ состоит в так называемом пичковом режиме работы. Выходное из­ лучение в импульсном и непрерывном режимах работы имеет ха­ рактер всплесков (рис. 12.21), т. е. наблюдается временная неста-

ОКГ в четырехуровневых ОКГ нижний уровень рабочего перехо­ да находится на достаточно большом расстоянии от основного уровня, значительно большем величины k t . В этом случае населен­ ность нижнего рабочего уровня оказывается небольшой даже при комнатной температуре. Это облегчает создание инверсной насе­ ленности, приводя к уменьшению мощности источника оптической накачки.

213

Понижение рабочей температуры от комнатной до азотной и ге­ лиевой еще больше облегчает получение инверсной населенности, так как уменьшается величина k t и затрудняется тепловое воз­ буждение нижнего рабочего уровня. Кроме того, понижение темпе­ ратуры устраняет исчезновение метастабильного состояния верхне­ го уровня, наблюдаемое при повышении температуры.

Рассмотренные ОКГ работают в импульсном и в непрерывном режимах. Порог накачки в импульсном режиме низок и составляет единицы джоулей. Наибольшая энергия в импульсе (до 1 кДж) получена в ОКГ на стекле с неодимом. В этом ОКГ использован стержень диаметром 20—30 мм и длиной до 80 см. Коэффициент полезного действия твердотельных ОКГ с редкоземельными ионами низок и составляет десятые доли -процента.

Твердотельные ОКГ с управляемой добротностью. Длительность импульса излучения мощных твердотельных ОКГ порядка 1 мс, а энергия излучения несколько сот джоулей, поэтому импульсная мощность достигает порядка нескольких сот киловатт. Обычные твердотельные ОКГ неприменимы для получения более коротких импульсов с большой импульсной мощностью.

Эту задачу можно решить, обеспечив накопление активных частиц на верхнем метастабильном энергетическом уровне в течение большого времени без выполнения условий самовозбуждения, а за­ тем выполнив условия самовозбуждения па очень короткое время. Для этого необходимо уменьшать добротность резонатора на время действия импульса накачки до уровня, при котором не выполняется условие самовозбуждения, и восстанавливать ее в конце импульса накачки, когда заканчивается накопление активных частиц. Такой метод получения коротких импульсов излучения с большой импульс­ ной мощностью называют методом управления добротностью или модуляции добротности.

Можно считать, что полная энергия в импульсе остается одина­ ковой (а иногда и уменьшается в связи с потерями, вносимыми устройством для изменения добротности). Наблюдаемая длитель­ ность импульса в ОКГ с управляемой добротностью порядка десят­ ков наносекунд по сравнению с длительностью около 10“3 с в обыч­ ном рубиновом ОКГ при той же энергии в импульсе означает уве­ личение импульсной мощности примерно в 10® раз, т. е. до ІО8 Вт.

Изменить величину добротности можно с помощью механических, электрооптических, магнитооптических и жидкостных («пассивных») затворов.

В качестве простейшего механического затвора используют вра­ щающийся диск с отверстием, расположенным между зеркалами Зх и 3 2резонатора (рис. 12.23, а). До тех пор, пока отверстие не ока­ жется на оси резонатора, происходит накопление активных частиц, а в момент прохождения отверстия через ось резонатора доброт­ ность резонатора резко возрастает, так как появляется возможность для отражения излучения от второго зеркала и усиления в рабочем веществе.

214

Целесообразнее использовать вращение одного зеркала (см. рис. 12.23, б) или призмы (см. рис. 12.23, б). В этих способах ус­ ловия самовозбуждения выполняются в момент параллельного расположения зеркал или положения призмы, изображенного на

В последнее время широко применяются пассивные затворы. Известно, что оптические свойства некоторых органических краси­ телей изменяются под воздействием света. Объясняется это возбуж­ дением молекул красителя, находящихся в основном состоянии. Происходящее при этом уменьшение населенности основного уров­ ня приводит к резкому уменьшению поглощения света (просветле­ ние раствора).

Предположим, что прозрачная кювета, в которой находится просветляющийся раствор красителя, помещен в резонатор рубино­ вого ОКГ (см. рис. 12.24, е). В исходном состоянии поглощение раст­ вора велико, т. е. резонатор оказывается перекрытым — следствие больших потерь. Импульсная световая накачка приводит к созданию в активной среде инверсной населенности и, когда разность насе­ ленностей уровней превысит пороговое значение, начинается гене­ рация. Появившееся излучение, проходя через раствор с красите­ лем, вызывает в нем резкое уменьшение поглощения (просветление).

215