Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 44

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 44)

Генерация начинается в момент времени ! =-- !п„р, в который инверсная населенность достигает порогового уровня. В том случае, когда мощность накачки достаточно велика, так что [р>а ![та, и Кап!» 1[у,Л', Решсние УРавнении (Ъ!1.49) пРн отсУтствин направленного индуцированного излучения (!"-... !вор) может быть записано в виде !и ! 11-. Л ) =.: — ЦУ ~ (!) а, (Л[,52) 'о где ш (!) = — — (см. рис. ЧП.21).

Прн решении учтено, ут>а Н) что Л == -- и, прн ! == О. Если длительность генерируемого импузьса велика, то в среде устанавливается стационарный уровень инверсной населенности, прн котором усиление волны в резонаторе и потери при отражении компенсируют друг друга. Срыв генерации происходит в момент времени ! === 1,, в который мощность накачки падает до такого уровня, что скорость возбуждения атомов сравнивается со скоростью, с которой они покидают метастабильный уровень вследствие люминесценции, а также процессов индуцированного излучения, не связанных с полезной генерацией. Следовательно, пРи ! - — — !а,"У, = .7а == О, Л =' Лппр и с[Л/с[! =-- О.

Подставляя эти значения в (ЧП.49), найдем 1)т>-- — В'~ш((а) 1Х вЂ” — 1) — Ы ( — -51) (ЧП.53) Определяя Жо из соотношения (ь>П.52) прн 1 = (ппр, получим следующую формулу: а пор аппп >пор ш 00 Ж (~1! 54) ! ! 2Л тая тш па+ Л ! (ь>П.55) которая вытекает из соотношения — "-- .= — '+ йт>Л, Для т ьр тат нашего примера тмр — 0,6 мсек. Сокращение времени >кивни состояния Ч."' рубина до подобных значений отмечалось также в работах [!2, 189, 195 [. Заметим, что в случае рубина обеднение метастабильпого состояния 'Е может происходить также вследствие перехода активных атомов из этого состояния на более высокие энергетические уровни под действием ультрафиолетового излучения лампы-вспы>пки [!95 — 198, 309, 32!!.

Таким образом, для опенки величины ![т, нужно знать форму импульса накачки, а также время возшннновення и окончания генерации. Пороговое значение инверсной населенности может быть определено по формуле (У.44). Полагая, в частности, г> --- гв =- 1, получим Л„р == [);вам Для рубинового генератора, работа>ощего при комнатной температуре, [> =- 0,03 см ', оа,пп:-- 0,4 см ', следовательно, Л„„упь =э 0,075. Это согласуется с результатами непосредственного измерения населенностей в работающем рубиновом образце [27! 1 В результате измерений, проведенных на рубиновом образце длиной !2 см н диаметром 0,65 см, бь>ло получено значение 11т!.= !О' сек-' 1125[.

Длительность импульса накачки была равна при этом около 1 мсек, а времена уп,р и !а составляли 0,25 и 0,5 мсек соответственно. Эта величина измерялась в момент времени Г == 1„ когда прекращается генерация направленного излучения. Поскольку в эксперименте использовались зеркала с коэффициентом отражения, близким к 100аа, то можно предполагать, что прн ! = !а отсутствовала также и генерация на внутренних типах колебаний, и, следовательно, измеренная величина [!т! представляет собой вероятность индуцярованных переходов под действием спонтанного излучения. Эффективное время жизни метастабнльного уровня из-за указанных явлений сокращается, и его можно вычислить, зная Ко по формуле " Это условна должно выполняться лишь в тот промежуток времени, когда инверсная населенность намекается от Л=- О до аппп.

284 б,б бгб б,2 бр б > т б,и«н -а -г 286 б. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Приведенное выше теоретическое исследование позволило рассмотреть зависимость энергетических характеристик генератора от ряда параметров резонатора, кристалла п накачки. При конструировании оптических генераторов, однако, часто необходимо знать некоторые другие зависимости, которые могут быть легко получены экспериментально.

К ним можно отнести зависимости Рис. Ц!!.22. Ззписпмостп энергии излучении и пороговой энергии накачка рубинового генератор» от точности юстпропки зеркал резонатора. выходной мощности и порогового уровня накачки от температуры кристалла и концентрации активных атомов в нем, точности юстировки зеркал резонатора, режима питании лампи-вспышки н др. Некоторые нз них проиллюстрируем я!же на примере генераторов на рубине, иеодимовом стекле и кристалле СаЪ'Оч: 1к!бз'. На рис.

>>11.22 показаны завксимостп пороговой энерп>и накачки и выходной энергии излучения рубинового генератора от непараллельности зеркал резонатора, Измерения проводились на рубиновом образце длиной 60 мм и диаметром 9,5 мм [1991. На один из его торцов было нанесено полупрозрачное диэлектрическое покрытие с коэффициентом отражения около 25',о. Изменение юстировки резонатора осуществлялось за счет расстройки второго внешнего зеркала с коэффициентом отражения, близким к !00е>е, распологкенного на расстоянии 20 см от рубина. Как видно, небольшая расстройка зеркал в пределах « 15 — 20" практически не сказывается на величине пороговой энергии.

При ббльшнх расстройках порог существенно увеличивается. При разъюстировке зеркал приблизителыю па 45" выходная энергия уменьшается в 2 раза. Заьисимость пороговой энерпш и энергии излучения от непараллштьности зеркал не всегда оказываетси симмет'ф;::.: ричпой, как в рассмотренном случае. Для некоторых руби-' новых образцов максимум выходной энергии и,соответственно минимум пороговой энерпш накачки наблю- а г Рпс. «'!!.23.

Ззписпмость порогопой энергии накачки генератора нз стекле с неоднмои от точности юстиропки зеркал резонатора. й бС> В, сбк даются при некоторой разъюстировке зеркал (пунктирная кривая). Это явление связано с изменением направления распространения света в рубиновом кристалле за счет его неоднородности. Наибольшая энергия излучения получается в том случае, когда расстройка зеркал компенсирует это отклонение луча Очевидно, что для четырехуровневых активных сред влияние юстировки зеркал на энергетические параметры генератора должно быть более значительным, поскольку пороговый уровень накачки для них зависит от добротности резонатора в большей степени, чем в ш>учао рубина. Это хорошо видно нз рис. Ъ'11.23, на котором нзобрагкена зависимость пороговой энергии накачки от непараллсльности зеркал для генератора на стекле с неодимом !2001.

лй В эксперименте использовался активный образец длиной 100 жм и диаметром !5 л>м. Зеркала имели козффнциетп -~:.:,и отражения 90"'о, расстояние между ними составляло 1 хо „'~~.,": ' На рис. >г11.24 представлены зависимости выходной энерф'",.: гии от энергии накачки, полученные для этого генератора ~ф!!;-"::,лри различных углах разъюстировки.

Как видно, непарал- 287 пп зп " гп Рис. 911,24. Зависимости выходной эиергии от эиергии иааачки генератора иа стекле с иеадииои при раааичиых углах резью«тироаии зеркал. г 2 3 Ф п„хдм Рис. 9! 1,26. Ваиииие диаметра актиаиого образца иа выходную эиергию рубииоаого генератора. и гпп аппп зпп епп ппп и„п 288 лельность зеркал порядка 15 — 30" уже приводит к сушествеииому уменьшешпо энергии излучения. Рассмотрим зависимость параметров генератора от диамет[)а активного элемента. Для эг«сперимшгтальиого исследования этой зависимости бьша выбрана партия рубиновых образцов длиной 80 мм, диаметром 9 мм, который постепенно уменьшался [199[.

Для накачки использовалась прямая ксеноиовая лампа-вспышка ИФП-800 (внутренний и 5 б 7 П У П,эгм Рис. т'11,о,"ь Зааисииости иыходиой энергии и энергии накачка рубинового геиератора от диалгетра актиаиого образца. диаметр 6А мм), которая располагалась рядом с кристаллом внутри полированного Отражателя овальной формы (см. рис. 1П.22).

м' Типичные зависимости выходной энергии н пороговой энергии накачки от диаметра рубинового элемента «( пока- заны на рис. эг!1.25. С уменьшением диаметра стержня происходит увеличение плотности энергии накачки в активной среде (см. рис. 1!1.30), поэтому пороговая энергия монотонно уменьшается до некоторого предельного значения. С другой стороны, поперечные размеры образца влияют на абсолютную величину поглощаемой мощности накачки, которая остается приблизительно постоянной в области больших диаметров и резко уменьшается, когда кристалл становится тоньше лампы.

В связи с этим делается понятным наличие максимума на кривой для выходной энергии. Следует отметить, что оптимальный диаметр образца зависит, как показывает исследование, от ряда факторов и может изменяться в значительных пределах. 1!а рис. эг1!.26 приведена зависимость энергии излу. чения от энергии накачки, снятая при различных диамет' рах активного образца. [(ак видно, стачнваиие рубинового стержня привело к увеличению выходной энергии во всем диапазоне исследуемых уровней накачки.

Наиболее значительный выигрыш имеет место при низких энергиях накачки. Существенное влияние на энергетические характеристики генератора оказывает концентрация активных атомов в образце. Очевидно, что с уменыпеиием концентрации образец становится более прозрачным для излучения ':: накачки, что (так же как и при уменьшении диаметра) ".

приводит к увеличению в нем плотности энергии. С другой стороны, по мере уменьшения концентрации актии|ых ге — ээ! 289 в" 'й й 3 ь М йь ь ьь ь ь ь,ь« ьЯ г Рнс. У! !.29. Завпснмость энергии иэлученнн и к. и. д. рубинового генератора от температуры кристалла; ин ==- 600 Ц, ! = Рг с! =- 7,5 лси. ам оо фо о ео ао гс 5 йети ь яь ь ь ь ьь мь г ь ь от конценкрнсталла; атомов уменьшаатся также и усиление волны в активной среде. Поэтому ясно, что если размеры образца фиксированы, то при некоторой концентрации пороговый уровень ааг доа дов дав концентрацая Сг т', % Рис. У1!.27. Зависимость пороговой энергии накачки рубинового генератора от концентрации атомов хрома; Т =- 300' !ч,! = 5,08 см, д = 6,35 лм.

возбуждения должен достигать минимальной величины. Это хорошо видно из рис. 711.27, на котором представ- ааг Цан О,ав ООВ ля Концентраанн Сг , % Рнс. У!1.28. Зависимости порога генерации рубина грации атомов хрома при различной температуре г= 75%, 1= 5,08 ель а= 6,35 мм. лена экспериментальная зависимость порога генерации рубина от концентрации в нем атомов хрома при различных коэффициентах отражения зеркал 12011. г(ля получения атон зависимости были использованы рубиновые образцы примерно одинакового качества, концентрация хрома в которых изменялась в пределах от 0,00бб до 0,091%.

(Следует отметить, что с увеличением концентрации Сг" изменяется характер энергетических уровней рубина, однако при концентрациях, меньших 0,1ой, этот эффект ничтожно мал.) Приведенные на рис. Ч11.27 зависимости соответствуют температуре кристалла 800' К. При охлаждении рубина 5 г гу5'к :Нйкл н н ь г Рис. У1!,30.

Характеристики

Список файлов книги