Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 17
Текст из файла (страница 17)
дх цу да ггуео Значение (1 р а может быть вычисчено с помощью следующих соотношений, которые вытекают из простых геометрических построений [1101; яп 0 ==-. — (з!п(сс -, '()) — ян (м !-(1 — 20г))+ — в(п !т, (1!1.15) 1га яп О, .-= — — яп (и ! Р) ', — — я и (1, Г,, И, ла' '' ' Фс где Йо )тв и 1т'а — радиусы лампы, образца и рефлектора соответственно. На рис.
111.20 приведены результаты численного расчета эффективности передачи энергии в зависимости от параметра Г/)с„ который аналогичен эксцснтриснтету в случае эллиптической системы. Как следует из сравнения этой зависимости с соответствующими зависимостями для эллиптического рефлектора (см. рис. 111.18, а), при малых значениях отношения г",'гс„т. е. при близком расположении образца и лампы, величина т) для обеих систем примерно одинакова. Однако с увеличением Е )те в случае кругового цилиндра она уменьшается значительно быстрее, Как уже указывалось, в приведенных расчетах не принимались во внимание потери энергии, связанные с отражением части излучения от поверхности образца и с непол- ным отражением от рефлектора.
С учетом этих факторов очевидно, что максимальная эффективность передачи энергии в активный образец для рассмотренных систем не может превосходить величины т)»ы» "' гв (! гоар) (Н!.16) где гв и г„он — коэффициенты отражения от поверхностей рефлектора н образца прн нормальном падении. На рис. 111.2! представлены спектральные зависимости коэффициента отражения для наиболее часто употреблво- Определенная выше эффективность фокусирующей системы показывает, какая часть энергии излучения лампы попадает на активный образец.
Однако не вся эта энергия поглощается в нем. Непоглощенная энергия может быть особенно значительной в случае тонких образцов. Поэтому действитатьное значение к. п. д. системы накачки может быть существенно меньшим величины нь Поглощение в образце может быть значительно увеличено прн многократном прохождении его излучением накач- О 05 ОФ 05 06 07 00 А,мам Рис. 111.21, Спектральные зависимости коэффнвиента отражения сереоряных и алгомииневых рефлекторов ( †) н ивтерференционнога диэлектрического покрытия (----). шихся в системах накачки серебряных и алюминиевых рефлекторов.
Для лучших образцов серебряных покрытий коэффициент отражения составляет 92 — 93'а, а для алюминиевых равен 89 — 90ого. Увеличение коэффициента отражения может быть достипгуто при использовании иитерференционных диэлектрических покрытий. Эти покрытия представляют интерес также и и том отношении, что наряду с высоким коэффициентом отражения в спектральном интервале, соответствующем полосам поглощения активного материала, они могут обладать низкой отражающей способностью в других областях спектра, в частности в инфракрасной. Б результате этого может быть значительно снижен нагрев активного элемента, что улучшает его рабочие характеристики. В качестве примера на рис.
1 П.21 пунктиром изображена спектральная зависимость коэффициента отражения для одного из интерфереиционных покрытий, содержащего 15 диэлектрических слоев. К недостаткам ннтерференцнонных покрытий' следует отнести довольно сильную зависимость коэффициента отражения от угла падения. Рнс. !11.22, Сггстема накаякн с плотным эаполнением отражателя. кн.
Это достигается, например, в системах с так назь1наемым «плотным» заполнением, в которых поперечные размеры отражателя малы. Для иллюстрации на рнс. 111.22 изображена конструкция, в которой лампа и образец находятся рядом в!гутри узкого отражателя. Г1оиеречное сечение отражателя может быль кругльгм или овальным. На практике он часто изготавливается из серебряной или алюминиевой фольги. Эффективность системьг с плотным заполнением оказывается примерно такой же, как и при использовании эллиптического рефлектора. Преимуществом ее является простота изготовления. Положительное свойство эллиптического рефлектора заключается, в свою очередь, в возможности расположения образца на значительном расстоянии от лампы, что позволяет, в частности, поместить его в охлаждающий дьюар без заметного уменьшения эффективности системы.
На рис. 111.23 изображена конструкция, в которой фокусирую!див свойства сочетаются с болыпнм поглогценнем излучения в активном образце [!!1). Она состоит из цилиндра и расположенных на его концах двух соосных конусов. Образец и лампа накачки размещаются вдоль оси системы. Излучаемая лампой световая энергия после нескольких отражений от поверхностей цилиндра и кону- 103 Анги«аный сйаазеа Аннгибный еайаэеи Ламан Рис. 11!.23. Схематическое нзо бражекне системы накачки н ни лннлр~ческом отражателе с ко ннчсскнмн онончаниями. Рис.
111,26. Схема сфьронллль- ного отражателя, Рис. 111,24. Хол лучей н от- ражающем конусе. сов попадает па активный элемент. Непоглощенная часть энергии снова отри>кается в образец от окружающего его конуса. Очевидно, что для многократного отражения луча в конусе необходимо, чтобы угол раствора его 20 был небольшим. Это иллюстрируется рис. 111.24, из которого видно, что луч, попадающий на поверхность конуса под углом а, после отраженна снова попадает на его поверхность под углом а — 20, а после и отражений — под углом и — 2л0. Для того чтобы луч распространялся внутрь конуса, величина а — 2п0 должна быть положительной. В противном случае луч выходит нз конуса. Конус, в кото- ром расположена лампа, должен посылать весь свет к активному образцу, поэтому угол при его вершине выбирается большим.
Описанная конструкция использовалась для накачки лазера на стекле с примесью неодима. Диаметр отражающего цилиндра составлял 1О см, углы при вершинах конусов — 60 и 120'. Длина стеклянного образца равнялась 6 см. Пороговая энергия накачки составила 25 дяс, что примерно в два раза меньше, чем при размещении того же образца и лампы в эллиптическом рефлекторе (с длиной большой оси 6,35 см и расстоянием между фокусами 2,5 см). Следует отметить, что поскольку фокусировка света осуществляется в рассмотренной системе за счет многократных отражений от поверхностей цилиндра н конусов, то эффективность ее очень силыю зависит от отражающей способности указа!шых поверхностей, резко уменьшаясь прн ухудшении последней.
Высокая эффективность передачи энерп!и накачки в активный образец достигаешься также в системе, изображенной на рпс. 1!1.25, которая представляет собой реф,нектор в форме эллипсоида вращения !! !2, 113!. Лампа и кристалл располагаются вдоль оси между г)юкусом и поверхностью эллипсопда, Легко показать, что все лучи, испускаемые лампой левее фокальной точки ут, и лежащие в плоскости, проходящей через ось вращеш!я, будут фокусироваться в области правее фокальной точки Га Рнс.
!!!.26. Хол лучей а сфероилаль- ном отражателе. !рис. 111.26). Таким образом, весь световой поток лампы попадает на активный образец, причем распределение плотности излучения на нем получается примерно таким же, как и на лампе. Указанная система с успехом использовалась для возбуждения генераторов непрерывного режима на рубине и других кристаллах !1!31. Следует отметить, что в оптических генераторах непрерывного режима, в частности на рубине, для снижения мощности накачки и облегчения условий охлаждения в ряде случаев целесообразно использовать активные образцы очень малого диаметра (менее 1 мм), При этом в целях увеличения поглощения энергии накачки иногда используется так называемая «торцевая накачка», при которой возбуждасощее излучение поступает в активный образец через торцевую поверхность и распространяется вдоль осн стержня.
Для фокусировки излучения лампы плоское лктеаный Лсеюар Ркс. 11!.27. Система накачки рубинового генератора непрерывного режима. бык кзл ОСоерикеекое еерюгло на торце применяются различные комбинации линз и зеркал. Подобная система, использованная для накачки рубинового генератора [!14], приводится на рнс. 11! 27. Актнв- ГалСоир Рубин Рис. 1!1.28. Активный образец рубинового гснерато. ра непрерывного режныа. Зеркала резонатора ный элемент в этой системе представляет собой рубиновый стержень с нарощенным на него сапфировым конусом (рис.
!11.28), который осуществляет дополнительную концентрацию энергии в образце. 3, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ НАКАЧКИ ВНУТРИ АКТИВНОГО ОБРАЗЦА В большинстве оптических генераторов на твердом теле накачка активного элемента осуществляется, как мы видели, через его боковую поверхность. При таком способе возбулсдения имеет место заметная неравномерность распределения энергии в поперечном сечении образца. Эта неравномерность оказывает существенное влияние на энергетические, а также пространственные (типы колебаний, диаграмма направленности) характеристики нзлу- 106 с!ре "-8 — „Е, с(1), 1 где Е„ — константа, пропорциональная максимальной амплитуде электрического вектора в каждой падающей волне. Полная плотность энергии вне стержня равна рею ~ — „„-Е;"г1!2 == — Е;-.
1 е ! о (!!!. 17) Поскольку радиус активного образца всегда значи. тельно больше длины волны света, при расчете можно пользоваться прнблнзкеппем геометрической оптики. Предположим, что па пилнндр падает пучок плоских одиночных волн, волновые" векторы которых лежат внутри бесконечно малого угла с!1!. Тогда средняя мощность, падающая на некоторый элемент поверхности цилиндра с(А, вырезанный вдоль его осн, будет равна Яе соз ы с((3 с(А, !07 чения. В связи с этим вопросу распределения энергии накачки в активном образце уделяется большое внимание [1!5 — !24!. „с[ля выяснения основных закономерностей рассмотрим диэлектрический цилиндр радиусом )с, на который падает излучение накачки.
Показатель преломления цилиндра обозначим через и, а коэффициент поглощения — через и. Будем считать, что поглощение не зависит от поляризации излучения, что является достаточно хорошим приблимсением. Будем предполагать далее, что падающий на цилиндр свет представляет собой суперпозицню некогерентных линейно-поляризованных плоских волн, волновые векторы которых лежат в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Поляризацию излучения выберем таким образом, чтобы вектор электрического полн был параллелен осн цилиндра. (ВыГюр поляризации незначительно сказывается на конечных результатах.) Плотность энергии в каждой одиночной волне бесконечно мала и одинакова для всех волн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
