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

вается конструкцией резонатора: поскольку размеры зеркал обычно невелики по сравнению с расстоянием между ними, выделяются колебания только того вида, направление рас­ пространения которых близко к оптической оси резонатора; остальные колебания уходят за пределы резонатора, не по­ лучив достаточного усиления. Отметим далее, что генерация излучения возникает лишь в том случае, когда потери энер­ гии в резонаторе меньше приращения энергии за счет вынуж­ денного излучения. В этом проявляется влияние резонатора на выходную мощность ОКГ.

Г л а в а 18

Оптические квантовые генераторы

§ 18.1. Твердотельные оптические квантовые генераторы.

Твердотельными ОКГ называют оптические квантовые гене­ раторы, в которых в качестве рабочего вещества использу­ ются кристаллические или аморфные диэлектрики. Первым ОКГ вообще и первым твердотельным в частности был рубиновый ОКГ. Рабочие вещества представляют собой твер­ дую основу (матрицу), в которую внедрены активные при­ меси. Матрицей служат такие материалы, как корунд AI2 O3 , флюорит CaF2 , шеелит CaW04, иттриевые гранаты, специаль­ ные сорта стекол и т. д. В качестве активной примеси ис­ пользуют некоторые элементы группы железа (хром Сг, ко­ бальт Со, никель №), группы редких земель (неодим Nd, самарий Sm, гадолиний Gd и т. п.) и группы актинидов (то­ рий Th, уран U). Важная особенность энергетического спек­ тра рабочего вещества при этом заключаётся в том, что за счет взаимодействия микрочастиц, влияния внутрикристаллических электрических полей и т. п. (главы 10 и 14), верх­ ние энергетические уровни представляют собой широкие по­ лосы, позволяющие поглощать излучение в широком интер­

вале частот.

Для создания инверсных состояний в твердотельных ОКГ применяется метод вспомогательного излучения в трех- и четырехуровневых системах (оптическая накачка). Наличие широких полос поглощения позволяет использовать для на­ качки немонохроматические источники света, такие, как газо­ светные лампы высокого и низягого давления, лампы накали­ вания, солнечный свет.

С целью повышения эффективности использования источ­ ников накачки их излучение концентрируют на рабочем веще­ стве с помощью различных отражателей. Часто в качестве

13 5

отражателей применяются эллиптические цилиндры, в одной фокальной линии которых помещается лампа накачки, а в другой — рабочее вещество.

Резонаторы твердотельных ОКГ образуются внешними зеркальными или торцевыми гранями рабочих стержней, на которые нанесены отражающие покрытия. Применяют как

посеребренные зеркала, так и зеркала с многослойными ди­ электрическими покрытиями; первые имеют коэффициент от­ ражения, приблизительно равный 95%, вторые — более 99%. Схематически устройство твердотельного ОКГ показано на

ставлена на рис,-67. Под воздействием оптической накачки ксеноновых ламп, значительная часть энергии излучения ко­ торых лежит в полосе поглощения рубина, происходят пере­ ходы 1—уЗ на волне 0,41 и 0,56. мкм (голубая и зеленая части видимого света); при этом энергетические полосы 3 заселя­ ются, однако время жизни вынужденных состояний невелико (порядка 1 0 ~ 7 с); поэтому микрочастицы быстро переходят на уровни 2. Переход 3->2 является безызлучательным, из­ быточная энергия расходуется на возбуждение тепловых

136

колебаний кристаллической решетки. Уровни 2 являются метастабильными (среднее время жизни составляет 1 0 ~ 3 с), в связи с чем населенность этих уровней может стать выше основного уровня 1. Полученная инверсная населенность на переходе при выполнении условий самовозбуждения ОКТ обеспечит генерацию колебаний. Следует отметить, что вероятность обратных переходов 3-+1 и спонтанных перехо­ дов 2 -W невелика. Вынужденное излучение возникает в красной части спектра на волнах 0,6929 и 0,6943 мкм. Не­ достатком рассмотренной трехуровневой системы является необходимость перевода более половины активных ионов в возбужденное состояние, поскольку инверсия осуществля­ ется относительно самого населенного, основного энергетиче­ ского уровня. Это требует больших затрат мощности накач­ ки. Более эффективными в этом отношении являются четырехуровневые системы (см. § 9.1), требующие на 2—3 по­ рядка меньшей мощности накачки. Инверсная населенность по такой схеме может быть создана при использовании в качестве рабочих веществ красного рубина, флюорита, сте­ кол, активированных ионами неодима, и т. д. Рубиновые ОКБ, как правило, работают в импульсном режиме с неболь­ шой частотой следования импульсов. Это связано с сильным нагревом рабочего вещества за счет неиспользуемой энергии лампы накачки, а также энергии, выделяющейся в процессе безызлучательных переходов. Наиболее мощные современ­ ные ОКГ на рубине генерируют излучение с энергией в не­ сколько сотен джоулей при длительности импульса 1 ч- 1 0 мс

ставляют ОКГ на стекле, активированном неодимом, и алюмо-иттриевом гранате, также активированном неодимом. Первые позволяют получить импульсную мощность порядка 1 МВт (энергия около 1000 Дж, длительность импульса 1мс)

в непрерывном режиме; при этом выходная мощность в не­ прерывном режиме достигает 1 кВт при КПД более 2%; им­ пульсная мощность в несколько сотен раз выше. Оба типа

1 3 7

показано ниже, практически это достигается модуляцией доб­ ротности оптического резонатора, при которой удается полу­ чить импульсы наносекундной длительности с пиковой мощ­ ностью до 1000 МВт.

§ 18.2. Газовые оптические квантовые генераторы. Газо­ вые ОКТ используют в качестве рабочего вещества газы или газовые смеси. Различают три типа газовых ОКГ: на нейт­ ральных атомах, ионные и молекулярные. Они отличаются друг от друга механизмом образования инверсии и диапазо­ нами генерируемых длин волн. Различие в диапазонах обу­ словлено разницей энергетических спектров атомов, ионов и

молекул (см. главу 6 ).

Для газовых систем характерно многообразие различных физических процессов, которые можно использовать для образования и разрушения возбужденных состояний. Так, на­ пример, возбужденные состояния, приводящие к получению инверсии уровней, образуются при неупругих столкновениях разных атомов, диссоциации молекул при столкновениях ато­ мов и молекул, возбуждении атомов электронными ударами и т. д. В большинстве случаев указанные процессы происхо­ дят в электрическом разряде в газах; разряд может быть тлеющим или дуговым, постоянного тока или высоко­

частотным.

Использование газообразного рабочего вещества приво­ дит к существенным отличиям газовых ОКГ от твеРД°тельных. Основное отличие заключается в малой плотности рабо­ чего вещества, вследствие чего энергетический спектр актив­ ных частиц практически не искажается воздействием полей соседних атомов, ионов, молекул. Поэтому рабочими уров­ нями в газе служат уровни почти изолированных микро­ частиц, а это значит, что энергетические уровни в спектре газов чрезвычайно узкие. Другой особенностью является высокая оптическая однородность газовой среды, в связи с чем световой луч в ней почти не рассеивается. Это позво­ ляет использовать большие расстояния между зеркалами резонатора. Поэтому излучение газовых ОКГ характеризу­ ется высокой монохроматичностью и направленностью. Од­ нако малая плотность рабочего вещества ограничивает воз­ можности получения больших импульсных мощностей излу­

дов возбуждения газов: электрический разряд, оптическая на­ качка и химические реакции.

Область длин волн, перекрываемая газовыми ОКГ, npoj стирается от ультрафиолетовой (Я~0 , 2 мкм) до далекой

138

инфракрасной части спектра (А~400 мкм). Газовые ОКТ по­ зволяют получить наиболее узкие линии генерации (около 1 Гц) и наименьшую расходимость луча (до Г) по сравнению с другими типами ОКГ; КПД у них может достигать не­ скольких десятков процентов.

Основным элементом ОКГ является стеклянная, кварце­ вая или металлокерамическая газоразрядная трубка с внут­ ренними (разряд постоянного тока) или наружными (высоко­ частотный разряд) электродами, помещенная между зерка­ лами оптического резонатора. Схематично устройство газо­ вого ОКГ показано на рис. 6 8 , где 1 и 5 — зеркала, образую­ щие резонатор; 2 и 6 — окна, закрывающие торцы газоразряд­ ной трубки; 3 — электроды; 4 — трубка; 7 — высокочастотный

Рис. 68

генератор. Окна представляют собой стеклянные или кварце­ вые плоскопараллельные пластинки, расположенные так, что угол между нормалью к ним и осью трубки равен углу Брю­ стера г0; угол i0 определяется соотношением: tg / 0 = n, где п — показатель преломления материала окна. При этом в со­ ответствии с законом Брюстера волна, плоскость поляриза­ ции которой совпадает с плоскостью падения, проходит через окна без потерь на отражение. Излучение с любой другой поляризацией имеет потери.

Генерация в ОКГ начинается со спонтанного излучения, которое не поляризовано, однако применение окон Брюстера создает благоприятные условия для прохождения излучения вполне определенной поляризации. Это излучение вызовет вынужденные переходы с той же поляризацией. Таким обра­ зом, в резонаторе устанавливается поляризация, соответст­ вующая расположению брюстеровских окон, для которой добротность резонатора оказывается наибольшей. Следова­

139

тельно, применение окон Брюстера позволяет не только уменьшить потери и облегчить генерацию, но и получить поляризованное излучение. Допуск на установку окон под углом Брюстера достаточно велик (порядка 3°) и легко вы­ держивается при изготовлении трубок.

Зеркала, образующие резонатор, можно и не,выносить за пределы газоразрядной трубки, однако внешнее расположе­

гелий-неонового ОКГ. Рабочим веществом ОКБ является

гелий служит лишь для передачи энергии возбуждения от источника накачки атомам неона. Упрощенная схема рас­ положения нижних энергетических уровней гелия и неона для наиболее широко используемого режима генерации (длина волны Я-=0,63 мкм) приведена на рис. 69. Накачка осуществ­ ляется с помощью газового разряда путем передачи возбуж­ дения электронным ударом и неупругих столкновений ато­ мов. В последнем случае возбуждение передается от одних атомов к другим, если энергетические интервалы между воз­ бужденными и невозбужденными состояниями обоих атомов близки друг к другу, возникает так называемая р е з о н а н с ­ н а я п е р е д а ч а э н е р г и и . Такой обмен энергиями пред­ ставляет особый интерес, если он происходит между метастабильным состоянием одного атома и основным состоянием дру­ гого. В гелий-неоновом ОКБ в плазме газового разряда путем столкновений с электронами возбуждаются атомы гелия, со­ вершая переход У->5; уровень энергии 5 является метастабильным. Возбужденный уровень 4 атома неона по энергии

140