Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 15
Текст из файла (страница 15)
При этом предельная энергия возрастает значителыю быстрее увеличения длины [. При работе в периодическом режиме долговечность лампы определяется средней потребляемой мощностью. В качестве примера на рис. 1!1.10 приведены результаты испытания на долговечность двух трубчатых ксеноновых ламп типа ИФГ1-1200 (с длиной разрядного промежутка 120 мж), работающих при частоте следования импульсов 50 г!! и средней мощности 6 кот, Лампы охлаждались водой; температура воды 4" С, расход воды 8 л мин.
Как видно, после 500 000 вспышек интегральный к. и. д. лампы Оа уменьшился приблизительно на 20аеа. Основной и~достаток газо[тазрядных ламп заключаешься в сравнительно низкой эффективности преобразования элек- трнческой энергии в светт>вое излучение, ссютветствующее полосам поглощения активного материала. В связи с этим большой интерес проявляется к исследованиям новых методов накачки, для которых указанная эффективность была бы более высокой. К их числу следует отнести прежде всего использование полупроводниковых диодов.
Спектр излучения этих приборов, как известно, достаточно узок, а к. п. д. может быть очень высоким. Разработанные к настоящему времени диоды излучают главным образом в ближ- 10 йз Е 0 ='тгпЬ л а С = гйЧми(о Ро = та!Ьг З 6,'о а г и ° тгг' н.тла д.г!та хга Число аслышел Рнс. 1!!.!О. Изненение к. и. х. ванны ИФП.!200 в зависимости от количества вспышек. ней инфракрасной области спектра. Мощность их, однако, еще сравнительно невеника. Поэтому первые эксперименты по полупроводниковой накачке проводились с четырехуровневыми активными средами, обладающими небольшим порогом возбуждения. Диоды из арсенида галлия были использованы для накачки оптического генератора па кристалле СаРа: Бае [99!. Длина волны излучения этих диодов 8400 А (ширина спектра около 200 А) хорошо совпадает с полосой поглощения указанного кристалла, соответствующей пе- 6 реходу атомов из основного состояния в состояние 'у~а,, (рис.
111.11). Система накачки представляла собой пять последовательно соединенных диодов, расположенных вдоль активного образца длиной 4 см, Суммарная мощность излучения диодов равнялась 4,5 вт. Аналогичная система, состоящая из ста диодов из арсепида-фосфида галлия, работающих на волне 7200 А, использовалась для накачки кристалла Сара: нуае [100! (рис. 111.12). Излучаемая диодами мощность составляла около 0,1 втп, длительность генерируемого лазером импульса на волне 23600 А — приблизительно 100 мсек. В настоящее время работы по исследованию полупроводниковой накачки находятся в начальной стадии, и она еще не имеет практического применения в системах оптических генераторов.
В значительной степени это связано с тем, что еще недостаточно высок к. п. д. полупроводниковых диодов. Тем не менее системы полупроводниковой накачки представляют большой интерес, и по мере совершенствования диодов онн, вероятно, смогут составить гу- аз гу газ гп.ю' :. А,':;,: гт и мю' 'й Нг з!7з Ю~ М или атзд саз" Рнс. 11!.!!. Возбуждение кристалла Сара .
Ызе излучением полупроводникового диода на Оадз, Рис. 111.!2. Возбуждение кристалла ВаГз . !эузэ излучением полупроводникового диода на арсенвде феофиле галлии (баде,Р~ л!. конкуренцию применяемым сейчас газоразрялным лампам. Особенно перспективным представляется использование полупроводниковых диодов для накачки активных сред, имеющих полосы поглощения в длинноволновых участках спектра, в которых другие источники излучения малоэффективны. Другой возьюжпый метод накачки оптических генераторов, исследованию которого уделяется большое внимание, основан на использовании света, выделяемого при взрыве тонких !порядка 0,1 жм) проволок при пропускании по ним электрического тока большой силы !!01, 1021.
Привлекательной особенностью этого метода является 'ч~ й)!" г гр.гоз !Х 1Р !1 еа Ю.газ короткая длительность вспышки и высокая мощность излучения, что особенно важно при использовании активных сред с малым временем жизни метастабильиого состояния. Спектральный состав излучения и интенсивность его существенно зависят от материала проволоки и условий взрыва. При взрыве в воздухе в спектре излучения присутствует большое число линий, характер которых определяется используемым материалом.
Наибольшей интенсивностью излучения обладают вольфрам, тантал, молибден. При взрыве в вакуумной трубке небольшого диаметра (около 1 сл!) излучение проволоки приближается к излучению абсолютно черного тела и почти не зависит от состава материала. Например, при энергии вспышки порядка !000 дж и длине проволоки 7 см, максимальная интенсивность излучения имеет место на волне 3500 А, что соответствует температуре абсолютно черного тела около 8000' К П011. Интегральная интенсивность излучения прн взрыве проволоки в вакууме в несколько раз выше, чем в случае взрыва в воздухе. Благодаря тому, что большая часть излучения взрывающихся проволочек сосредоточена в ультрафиолетовом участке спектра, они могут оказаться весьма перспективным источником накачки оптических генераторов видимого диапазона, возбуждение которых должно осуществляться коротковолновым излучением.
В настоящее время известны эксперименты по использованию взрывающихся проволочек дпя накачки генераторов на кристаллах рубина и СаГз: Пзз П01, !02!. Следует упомянуть также о химических методах накачки, в которйх для возбуждения активной среды используется свет, выделяемый прн химических реакциях. В заключение кратко рассмотрим возможность использования для накачки оптических генераторов солнечного света. Как известно, излучение Солнца хоро!по аппроксимируется излучением черного тела с температурой приблизительно 6000' К. Если воспользоваться зависимостью, приведенной на рис. П!.2, то нетрудно видеть, что в полосе поглощения рубина, например, сосредоточено около 253о излучения.
Поскольку общее количество лучистой энергии, поступающей от Солнца в единицу времени в районе Земли, составляет 0,14 вт,'слез, то плотность моин!ости полезного излучения будет иметь порядок 3,5 !О-' втп!сма. Э1 Если для фокусировки солнечного света использовать, например, зеркало диаметром 50 см, то интенсивность накачки составит около 70 ааь Мощности такого порядка вполне достаточно для питания ряда оптических генераторов на четырехуровневых активных средах, имеющих низкий пороговый уровень накачки. В настоящее время солнечная накачка реализована в генераторах на кристаллах )'АО: !чдаь 13131 и Сара: Оуач 136, 1031, а также на стекле с примесью неодима 155, 3131.
2. СИСТЕМЫ НАКАЧКИ Излученная источником накачки световая энергт)я должна быть с минимальными потерями передана в активный образец. Высокая эффективность передачи энергии достигается путем использования различного типа Рис. 5! !.!Э. Система накачки с лампой спиральной формы. йнп)айпь й Отрапа. Лампа- аараааа п)апь аспь шпа отражающих н фокусирующих устройств, которые в дальнейшем будут называться системами накачки. Очевидно, что от эффективности выбранной системы накачки в прямой зависимости находится коэффициент полезного действия всего генератора в целом, поэтому вопросам рационального конструирования их уделяется большое внимание. В первых образцах оптических генераторов применялись газоразрядные лампы спиральной формы, внутри которых распачагался активный образец, а снаружи диффузный цилиндрический отражатель !рис.
111.13). Эффективность такой системы относительно невысока, и большая часть излученной энергии рассеивается вне образца. Для сравнительной оценки эффективности различных систем накачки удобно исходить из пороговой величины мощности илп энергии возбуждения, при которой возникает генерация в определенном активном образце.
При исполь- зовании спиральяых ламп пороговая энергия накачки в случае рубинового кристалла, например, имеет порядок !000 дж. В то же время для ряда других систем, рассматриваемых ниже, она составляет 50 — 100 дж. Вследствие низкой эффективности оптические генераторы и усилители со спиральными лампами применяются в основном в лабораторных условиях, когда вопросы экономичности являются второстепенными и когда частота следования вспышек мала.
Значительно большей эффективностью облада)от системы, в которых используется фокусировка излучения яа актив- ф':,' ном образце. Примером такой системы служит эллиптический рефлектор, представляющий собой цилиндр эллиптического сечения, внутри которого вдоль фокусных линий размещены активный образец и лампа 1!04 — 1091. Эллипс, как известно, имеет два фокуса, причем все .ф-''',, лучи, исходящие из одного из них, собираются во втором фокусе. Поэтому излученная лампой сне~оная энергия концентрируется эллиптическим отражателем в месте расположения образца. Г!оскольку в действительности лампа не является бесконечно тонкой, а имеет конечные попереч- ;с: ные размеры, то, строго говоря, через вторую фокальную линию будут проходить лишь лучи, проекция которых на гюперечное сечение цилиндра перпендикулярна поверхности лампы.
Другие лучи фокусируются неточно, и, следовательно, изображение, тампы занимает некоторую область вблизи фокальной линии. Если диаметр активного элемента превышает поперечные размеры изобраи<ения источника, то эффективность системы будет максимальной. В противном случае часть лучей на образец не попадает, Таким образом, эффективность эллиптической системы зависит от поперечных размеров источника накачки, активного образца н отражателя. Кроме того, как легко видеть, она определяется такжеэксцентриснтетом эллипса, посколь. ку уменьшение последнего улучшает фокусировку. Переходя к расчету эллшггпческой системы накачки, ограничимся рассмотрением двумерной задачи, т. е. иссле- дованнсм распределения интенсивности света в поперечном сечении отри)кагеля. Такая постановка, строго говоря, является справедливой лишь для случая бесконечно длинного цилиндра и лампы.
Однако она является оправданной также и в том„часто встречая)щемся на практике, случае, 93 Р В Рис. !! !.!4. Хол лучей в эллиптическом рефлекторе. источника, будем характеризовать двумя параметрамн а (угловое положение начальной точки луча на контуре источника) и р (угол между направлением луча и нормалью к излучающей поверхности).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
