Белов Л.А., Благовещенский М.В., Богачев В.М. и др. Радиопередающие устройства. Под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина (1982) (1095868), страница 88
Текст из файла (страница 88)
было оптически однородно и прозрачно на рабочей длине волны, имело большое сечение вынужденного излучения о, и большое время жизни т, частиц на верхнем лазерном уровне. Из (27.15) и (27.17) получаем зависимость потока фотонов /„от стационарной вероятности накачки, отнесенной к ее пороговому значению, что эквивалентно отношению соответствующих мощностей накачки: /от (»»т 1)/таптг (27.18) где»п = п»до „/садо „,р. Таким образом, интенсивность потока фотонов в лазере линейно зависит от мощности накачки, как это показано на рис.
27.6, Оценим ?„для лазера на силикатном стекле о неодимом, для которого о = 2,5 1О-та см" и тг = 4 10-'а. При двукратном превышении пороговой накачки получаем из (27.18): ,/„= 1 10" фотон/(с сма). Поток фотонов 7о„генерируемый внутри резонаторов, расходуется на внутренние потери р и на излучение через полупрозрачное зеркало с г, (! . Для расчета выходной мощности учтем, что ./а„= ./+ Х Х (1 — »,) (см. рис, 2?.4), т. е. Р,м, =,/„и /грм5 =,/е (! — г,) /»~ Я, (27.19) где 5 — площадь сечения активного элемента лазера, В свою очередь, /+ =,/оо —,/ = /о — »т/+, ,/е =,/о,/(1 +»,).
(27.20) Подставляя (27.20) в (27.!9), учитывая (2?,!8), получаем 1 р», то а„ (27.21) Для типичных значений параметров, входяв1их в (27.2!): », = = 0,8, ро 3 !От' Гц (Х ж ж 1,06 мкм), т, = 4 ° !О ос,о =25!Окоем', 3=! смг и и =- 2, — пол)чаем / амг 2 10' Вт.
13 зок. оаа Рис 273. Зависимости иитеисавиостн потока фотонов а лагере от уровня иакачка эту При анализе этой формулы необходимо учесть характер зависимости мощности Р„,„от коэффициента 6 „при фиксированном значении коэффициента внутренних потерь р. Для этого рассмотрим поведение населенности й(з верхнего рабочего уровня 3 в различных условиях (рис. 27.7).
Величина )тэ „, есть населенность уровня 3 при рабочей мощности накачки, пропорциональной вероятности гнти „, в отсутствие генерации, когда одно из зеркал закрыло поглощакзщей заслонкой. Если оба зеркала открыты, то возникает генерация, в результате чего начальная населенность У„а, падает до порогового значения л(з „р, определяемого формулой (27.16). Очевидно, что полная излучаемая мощность Р„еи пронорциональна равности между начальной н пороговой населенностями уровня 3 (Минич — гии ор) Поэтому с ростом йи иэ-за увеличения Э(з иир она падает почти до нуля, когда Ли ио сРавниваетсЯ с Фи иач таким обРазом, зависимость Риых (Ри), описываемую формулой (27.23), мож™йо разбить на трн характерных участка (рнс. 27.8), На начальном участке, где ()и (( й, Р„„, практически не зависит от йи, и поэтому мощность Р „растет пропорционально 5и На участке, где ри )) (), Риыт пропопциоиальйа Р, и падает с ростом йя почти до нуля, повторяя завнснмость Р„,и (ри) На проне™жуточном участке, где ()и = () Рных с увеличением ри растет все медленнее и затем, пройдя через максимум при некотором оптимальном ЗУи-)7 ))и»Р А Рисс)) Рис.
278. Зависимость выходной мощ- ности лазера от коэффициента йи, ха- рактернзукгщего излучение через выход- ное зеркало Рнс. 27.7. Изменение иаселениостя верхнего рабочего уровня в разят(иных условиях Зуз Рассмотрим качественно зависимость выходной могцности лазера от коэффициента йи, связанного с коэффициентами отражения зеркал ОКГ г, и г, соотношением = — !и— (27.22) 2г гг и„ где т' — расстояние между зеркалами. Если Р „— полная мощность электромагнитных колебаний, генерируемая активным элементом внутри резонатора лазера на частоте рабочего перехода, тг (27.26) вых = + эел' значении йя, начинает падать.
Прн увеличении мощноотн накачки зависимость Рв (йн) сдвигается (кривая 2 на рнс, 27.8) в связи с тем, что генерация срывается прй больших значениях ри в соответствии с увеличением Мз„ Четырехуровневые лазеры по сравнению с трехуровневыми обладают следующими преимуществами: существенно более низкой мощностью пороговой накачки, большей выходной мощностью при заданной мощности накачки, более высоким КПД, Все эти преимущества являются результатом пренебрежимо малой населенности нижнего рабочего уровня таких лазеров за счет его приподнятости относительно основного уровня и малого значения тао В трехуровневых же лазерах в качестве нижнего рабочего уровня выступает основной уровень, на котором в отсутствие накачки сосредоточены практически все рабочие микрочастицы активного элемента лазера.
Поэтому в трехуровневой схеме значительная доля мощности накачки первоначально затрачивается на выравнивание населенности уровней 2 и 1, и лишь последующий рост мощности накачки создает полезную избыточную населенность верхнего рабочего уровня по сравнению с основным, Поэтому энергетические характеристики трехуровневых лазеров хуже, чем у четырехуровневых. 2ТЛ. РЕЖИМ «ГИГАНТСКОГО» ИМПУЛЬСА ЛАЗЕРА В режиме стационарной генерации мощность колебаний лазера определяется мощностью накачки (о учетом его КПД) и поэтому сравнительно невелика.
МТ)щность лазера может значительно увеличиться Г п работе в импульсном рЕзкиме, одной из разновидностей которого ляется режим так называемого «гигантского» импульса, когда генерируются короткие мощные импульсы светового излучения длительностью 1О ' ... 1О ' а и пиковой мощностью, достигающей 1О' ... ! О' Вт. Этот режим реализуется принудительным изменением добротности резонатора во время действия накачки, поэтому устройство такого типа называется лазером о управляемой или модулированной добротностью . Принцип его работы состоит в предварительном накоплении на верхнем рабочем уровне большого количества активных частиц тт'з „„ с последующим быстрым «высвечиванием» запасенной ими энергии в виде короткого мощного импульса.
Для этого во время действия накачки добротность резонатора лазера, а следовательно, и коэффициент положительной обратной связи сначала снижаются почти до нуля, например, закрыванием одного из зеркал резонатора непрозрачной заслонкой, В реальных конструкциях лазеров для управления добротностью резонаторов используются более сложные, быстродействующие электрооптические и фототропные затворы, а также вращающиеся а большой скоростью зеркала или призмы. При отсутствии обратной связи населенность )Ч» „,„верхнего рабочего уровня при достаточной мощности накачки может во много раз превысить пороговое значение Уз „р, соответствующее нормальной добротности резонатора.
После быстрого увеличения добротности резонатора условие самовозбуждения лазера оказывается выполнен- 379 ным с очень большим запасом, т. е. Лгз яач )) Лгч нор что НРиво дит к лавинообразному переходу частиц с верхнего уровня 7 на нижний 2, который сопровождается излучением короткого мощного светового импульса Длительность гигантского импульса т„для средних мощностей накачки, когда 0,2 < (Лгз пор/Уз пз„) < 0,5, минимальна и равна чи !01ооззЛ(з иач (27 24) дчз чузчач ~ух ччр Длительность фронта импульса (рнс. 27.9) определяется коэффициентом усиления активного элемента в момент начала генерации 1изч чем он больше по сравнеишо с пороговым значением, тиач й) тем быстрее нарастает гигантский импульс.
И наоборот, при начальном значении коэффициента усиления, близком к порочовому, генерация развивается медленно, длительность фронта гигантского импульса растет и прв Фз пор/)У» изч > 0,8 в основном опРеделяет его полную длительность. Прчч высокой добротности резонатора лазера, т.е. при малом значении !)+() и пивном пороговом коэффициенте усаления и, соответственно ччз р длительность гигантского импульса также возрастает, но уже за счет увеличения длительности среза импульса, определяемого постоянной врем«пи резонатора. Рис 279 Изменение населенности верхнего рабочего уровня при генерации «гигантского» импульса (а) и форма этого импульса (б) (27,27) получаем 1 — г, 5йчч» Н» изч )уг вых 1+гч чччч )ч7» пер где 3 — площадь активного элемента лазера. (27.2Ь) заа Выходная энергия %'„гх лазера с модуляцией добротности резона- тора зависит от разности началыюго Л(з изч и конечного Л(з „,„зна- чений иаселенностч0 ()+ () где 15 — объем активного элемента лазера.
Если начальная населенность значительно превогходит пороговую, т е. Л(з па )) Л(з вор то тем более Лчз иач )) Л(а крн так как всегда (27. 2б) ()+ ри оч Л'ч иор Учитывая далее, что по определению при г, = ! и г, ( 1 1 ! ! — г, ()„= — !и — ж — ' 2! гх (!+гч) ! Оценим энергию, длительность н мощность нзлучання лазера на стекле о неоднмом с модуляцией кобротноетн резонатора для следующих тнппчных зна. ченнй велнчнн, входящнх в формулы (27 28) к (27.24): д/з нач/Л/з пор З х/я нач = = б 10'а см-з, 5 = 1 смх, озз = 2,8 1 1О-эа смх, гх — — 0,7, о = 2 1 10!е ем/с, т -3 !ОИ Гц. В этом случае Е"вых=7,0 Дж, тн-— 4 12-э с~ Рвых 1,8 1')э Вт.
Отвык ти йули ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДИАПАЗОНА СВЧ Исторически первым квантовым генератором, в котором использовался принцип вынужденного излучения, был генератор на пучке молекул аммиака, созданный в 1955 г. (рис. 27.10). Основным преимуществом этого генератора — квантового стандарта частоты (КС), работающего на длине волны 1,25 см, была существенно меньшая, чем у обычных радиотехнических генераторов, нестабильность частоты колебаний (1О "...
1О и). В последние годы были разработаны другие, еще более стабильные КС, в частности генератор на парах рубидия с оптической накачкой и водородный генератор, имеющий рекордно малую нестабильность частоты (!0 "... 1О "). Использование в этих КС в качестве активных веществ газов или паров объясняется тем, что в них микрочастицы значительно слабее взаимодействуют между собой, чем в твердых телах. Кроме того, из микрочастиц находящихся в газообразном состоянии, можно сформировать атомные или молекулярные пучки, т. е. направленные потоки этих частиц, движущихся в заданном направлении без столкновений между собой Подбирая конструкцию резонатора, можно исключить вредное влияние эффекта /(оплера и столкновения частиц со стенками резонатора, в котором происходит вынужденное излучение энергии активными частицами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
