Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

Р а з д е л VI

КВАНТОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Постоянно растущий поток информации и развитие ин­ формационных радиоэлектронных систем (связи, телевиде­ ния, локации, навигации и др.) привели к необходимости ос­ воения оптического диапазона длин волн и, в частности, со­ здания мощных источников когерентного света в этом диапа­ зоне. Разработка таких приборов определялась следующими отличительными особенностями оптического диапазона от диапазона СВЧ:

— в соответствии с формулой Больцмана (8.4) населен­ ность верхних энергетических уровней в оптическом диапа­ зоне убывает гораздо быстрее,-чем в диапазоне СВЧ;

— вероятность спонтанного излучения в оптическом диа­ пазоне значительно больше, чем в диапазоне СВЧ: как сле­ дует из формулы (8.14) приблизительно в Ю12 раз.

Создание оптических квантовых генераторов (ОКБ) ста­ ло возможным лишь после того, как были осуществлены квантовые приборы СВЧ диапазона, разработаны методы оптического возбуждения атомов и рассмотрена возможность использования открытых резонаторов в качестве колебатель-'

ных систем оптического диапазона.

В настоящее время разработаны мощные ОКБ, обладаю­ щие высокой когерентностью, направленностью и моно­ хроматичностью излучения. Они могут быть разделены на разные группы по типу активного вещества (твердотельные, газовые, жидкостные), по режиму работы (непрерывного и импульсного режима), по виду выполняемых функций (гене­ раторы и усилители), по методу накачки, охлаждения и т. д.

Г л а в а 17

Оптические резонаторы

§17.1. Особенности конструкции оптических резонаторов.

Воптическом диапазоне невозможно использовать объемные резонаторы, подобные резонаторным системам СВЧ диапа­ зона, вследствие трудности изготовления их (когда размеры соизмеримы с длиной волны), резкого роста потерь на скинэффект и невозможности получения больших мощностей при малых размерах резонаторов. Кроме того, замкнутые резо­

нансные полости неудобны при возбуждении рабочего веще­ ства ОКБ. Поэтому для ОКБ применяются принципиально отличные открытые резонаторы, размеры которых велики по сравнению с длиной волны излучения. В качестве такого

130

резонатора может быть использован интерферометр Фабри — Перо, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал, нахо­

мя сферическими зеркалами, разнесенными на расстояние,

кратно проходит через активную среду, т. е. осуществление положительной обратной связи за счет возвращения части излучения обратно в активную среду (рис. 64). Действитель­ но, существование в какой-либо среде за счет энергии на-

сивности светового потока за счет многократного про­ хождения излучения через среду с отрицательным коэффи­ циентом поглощения посредством многократных отражений от зеркальных поверхностей резонатора; при этом мощность вынужденного излучения растет вследствие вовлечения все большего количества активных микрочастиц в процесс излу­ чения. Усиление возможно лишь до определенного уровня мощности, ограничиваемого эффектом насыщения рабочего перехода.

Следует отметить, что процесс генерации излучения в ОКГ, как и в любом автогенераторе, начинается с флюк­ туаций, возникающих в данном случае в результате спонтан­

ного излучения на частоте рабочего перехода. Существенно, что одновременно с усилением в рабочем веществе происхо­ дят и потери мощности. Потери могут быть связаны с ча­ стичной прозрачностью зеркал резонатора (одно или оба зеркала изготавливаются полупрозрачными для вывода по­

мощности вынужденного излучения над мощностью суммар­ ных потерь, включая и полезное излучение ОКГ. Обозначим через Г\ и г2— коэффициенты отражения от зеркал; очевидно, что величину потерь при отражении можно оценить произве­

ности излучения согласно (8.19) может быть охарактеризо­

вано величиной ет , где и — коэффициент усиления активной среды; цифра 2 в показателе степени в обоих случаях пока­ зывает, что за одно прохождение излучение успевает отра­ зиться один раз от каждого зеркала, т. е. за одно прохож­ дение считается проход в обе стороны. Обозначим, наконец, коэффициент дифракционных потерь при отражении свето­ вой волны от зеркала через ад и коэффициент потерь на тор­ цах рабочего вещества или окнах, ограничивающих активную среду, через схт. Учитывая принятые обозначения, условие самовозбуждения ОКГ можно записать следующим образом:

от зеркал и больше длина рабочего вещества.

Добротность оптического резонатора при малых дифрак­ ционных потерях приближенно может быть определена по

132

Открытый резонатор отличается более высокой добротно­ стью (Q ~ 1 0 6 -f-1 0 7) по сравнению с объемными резонато­ рами СВЧ (Q —103-=- 104).

§ 17.3. Типы колебаний. В результате отражения от зер­ кал и интерференции отраженных волн в оптическом резо­ наторе так же, как и в объемном резонаторе, образуются стоячие световые волны. Они устанавливаются лишь при условии, что на длине резонатора L укладывается целое чи­ сло полуволн, т. е.

волн, укладывающихся между зеркалами, и характеризую­ щее тип (моду) продольного колебания. Обычно </=105 —10б.

Отсюда следует, что каждому значению q соответствует своя частота резонанса. Расстояние между резонансными часто­ тами двух соседних типов продольных колебаний

для v и Av— (17.4) и (17.5) были записаны для полого резо­ натора, когда активная среда в нем отсутствует. Если резо­ натор заполнен средой с показателем преломления п, то за счет изменения длины волны излучения в среде по сравнению с длиной волны в вакууме в выражения (17.3) — (17.5) дол­ жна быть внесена поправка в виде дополнительного множи­ теля, равного п, в знаменателе правой части.

Помимо продольных колебаний в открытом резонаторе существуют поперечные, распространяющиеся под некото­ рым углом к оси резонатора.

,§ 17.4. Характеристики излучения ОКГ. Наличие боль­ шого числа резонансных частот оптического резонатора ве­ дет к тому, что ОКГ может одновременно генерировать коле­ бания на нескольких частотах. Однако возникают не все воз­ можные виды колебаний, а лишь те, частоты которых лежат в пределах ширины линии излучения рабочего вещества. Как показано в главе 1 0 , ширина линии излучения рабочего веще­ ства Av.i может быть по разным причинам значительно уве­ личена; при этом она оказывается больше полосы пропуска­

133

ния резонатора Avp, определяемой его добротностью, и рас­ стояния между соседними типами продольных колебаний Av. Более того, при работе ОКГ возбуждаются не все типы коле­ баний, а только те, для которых уровень накачки обеспечи­ вает компенсацию потерь; при этом наибольшее усиление имеет место в центре резонансного пика, вследствие чего ши­ рина линии генерации еще сильнее сужается. Так, при допп­ леровском уширении в газовых ОКГ Av:i^1000 МГц, тогда

В реальных условиях ширина линии генерации значительно больше теоретической. Спектр излучения ОКГ имеет вид, показанный на рис. 65. Как видно из рисунка, в пределах ширины линии излучения рабочего перехода размещается ряд резонансных линий для разных видов колебаний резо­ натора, в центре пиков которых располагаются чрезвычайно узкие линии генерации ОКГ. В рассмотренном случае гене­ рация на каждой из частот будет практически монохроматичной. Излучение в целом является немонохроматичным, од­ нако степень монохроматичности ОКГ намного выше любого другого источника света. Резонатор в значительной степени определяет также и такие свойства выходящего излучения, как когерентность, направленность и мощность. Высокая ко­ герентность излучения ОКГ обусловлена самим характером вынужденного излучения, когда частота, фаза, направление распространения и поляризация излучаемого кванта совпа­ дают с теми же параметрами кванта, вызвавшего излучение. Высокая степень направленности излучения ОКГ обеспечи­

134