Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Зависимость пороговой энергип накачки от концентрации активных атомов в кристалле а СатУОл .' Ива+. г у концентрация йа ', % резко увеличивается поперечное сечение о„, а следовательно, возрастает и усиление. Это приводит, в свою оче- ;Ф':,.:,';; редь, к уменьшению пороговой энергия накачки и смещению области минимального порога в сторону более низкой кояцентрацин хрома (рис. У!1.28). Выходная энергия рубинового генератора при понижении температуры крн;-~:,":-,г) ' сталла растет.
1-!а рис. 7!!.29 приведена зависимость (ух от Т, полученная для одного нз высококачественных рубиновых образцов, у которого коэффгщиент полезного дей- !0» 29! Рис. Ч11.31. Зависимость пороговой мощности воабужкеиик кристалла Си%От: 1Чоа+ от температуры. и жа ь 1ааа твоа -вп -ап -го а го оа т;с и мао - ыао Рис.
У!1.33. Зависимос~ь пороговой а«е!»ии пакач«п от клипы вкраиируеького участка рубина. впо и аг оа туг и ьп ". гп Рис. У11.32. Зависимость мощности излучении кристалла Са1ЧОь. Мбьь от температуры при Ри = 1200 вщ. о -ви -вп -ап -го о т;с 292 ствия при комнатной температуре приблизительно равен 1,5о/о. Аналогичные исследования были проведены для кри. сталла СаьуО,: Нс(аь, На рис. 'Ч11.30 представлена зависимость пороговой энергии накачки от концентрации ионов !чбаь 1202!. На рис. у'11.31 показано влияние тем- пературы кристалла на пороговую мощность в случае стационарного режима.
Приведенная кривая относится к линии излучения 1,058 мкм, которая в рассматриваемой области температур имеет более низкий порог генерации, чем линия 1,065 мкм. Температурные зависимости выходной мощности для линий 1,058 и 1,065 лкм при постоянном уровне возбуждения (Рп = 1200 от) приведены на рис. И1.32. При конструировании оптических генераторов иа рубине часто приходится сталкиваться с трудностями крепления активного образца, которые заключаются в том, что в местах крепления кристалл экранируется от излучения накачки, в результате чего инверсная населенность там отсутствует, и происходит поглощение генерируемого излучения. Это приводит к увеличению порогового уровня возбуждения н уменьшению выходной энергии. Д',чя иллюстрации сказанного иа рис.
711.33 показана зависимость пороговой энергии накачки от длины 1' экранируемого участка рубинового образца 12031. В эксперименте использовался рубин с концентрацией хрома 0,05".о, длиной 1 =- 5,08 си и диаметром 6,35 мж. Экраннровка осуществлялась с помощью тонкой металлической трубки, которая надвигалась на один из концов стержня. Как видно, при комнатной температуре влияние экранировки довольно значительно.
Экранировка 10% длины образца вызывает увеличение пороговой энергии приблизительно на 209а. При низкой температуре кристалла этот эффект становится несущественным. Следует отметить, что в случае четырех:р-.'' уровневых сред крепление активного образца вызывает меньшие трудности, поскольку затухание генерируемого излучения в них при отсутствии накачки мало (вследствне низкой населенности второго уровня).
В импульсных генераторах при фиксированной энергии накачки на величину выходной энергии существенное влияние оказывает режим питания лампы-вспышки. Это иллюстрирует рнс. Ч!1.34, на котором приведена зависимость энергии излучения рубина от напряжения на конденсаторе для нескольких значений энергии накачки прн использовании лампы типа ИФП-800. Как видно, прн заданной энергии накачки существует оптимальный режим работы лампы, прп котором выходная энергия максимальна. Характер приведенных зависимостей связан в основном с соответствующим изменением эффективности излученпя лампы-вспышки (в полосе поглощения рубика) при изменении ее режима питания.
Резкое уменьшение выходной гааа маа гга н „" ва Рнс. У11.3го. Влияние режима питания лампывспынгкн ва выходную энергию генератора на стекле с неоднмом. а ыаа оааа аж ам энергии в области малых напряжений (и, следовательно, больших емкостей) объясняется, кроме того, увеличением а,в Рнс. У11.34. Влияние режима питания лампы.еспыюни типа ИФП-800 на выходную энергию рубинового генератора; га =- 733(м * 1 =-.
00 мм, г1 =- ! 1,б .нл. длительности импульса накачки. Влияние длительности импульса особенно сильно сказывается при использовании гва активных сред с коротким временем жизни метастабильного состояния например, различных веществ с примесью неод~ма. В качестве примера на рис. З71!.35 изображены зависимости выходной энергии Ьгх от энергии накачки Ьггг прн различных режимах питания лампы для генератора па стекле с неодимом 1591. В генераторе использовался активный элемент длиной 46 см с концентрацией неодима 63о. Один его конец был обработан в виде призмы с полным внутренним отражением, второй конец был плоским и имел фреиелевский коэффициент отражения около 4',4.
При емкости конденсатора С = 108 мк4г и индуктивности в цепи разряда Ь = 53 мкаы длительность вспышки составляла приблизительно 200 мксек, при С =. 760 мк4г и Ь вЂ”- = 120 мкгн — около 1 мсек. Как следует из рис. т711.35, изменение длительности импульса в таких пределах приводит к значительному увеличению пороговой энергии и уменынению энергии излучения, По мере увеличения энергии накачки влияние длительности импульса на к.
п. д. генератора уменьшается, что находится в соответствии с теоретическими результатами, полученными в предыдущем разделе. Максимальное значение к. п. д. составляет около 3,5!о. Следует отметить, что загиб кривой для Ьгх при больших уровнях возбуждения объясняется уменьшением эффективности лампы-вспышки.
6. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАНТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Возникновение лазерной генерации сопровождается переходными процессами, которые оказывают существенное влияние на временные характеристики излучения, особенно в случае маной дпятельности импульса накачки, Для исследования переходных процессов рассмотрим систему усредненных уравнений (Ч.46), (т7,47) для инверсной населенности Л и плотности потока фотонов 7е, записав ее в следующем виде (знаки усреднения опускаем): ;у = 2пагст) ~-'1-(!Рга ) Гго (!гге з ) ст ° (т11 56) —, — '=-он 5,7 — — '.
(П1. 57) Все потери в резонаторе выражены здесь через постоянную времени т, (см. гл. 1Ч). Стационарное решение 295 уравнений (У11.56), (Ч!1.57) имеет вид 7+== 2 ~ (Ц зз т )ло „~ ~ (Я за+а) 1 Ла (Ч!1.58) оог1тп Исследуем поведение системы вблизи этого состояния. Положим Л =- Л' + Л' (!),,7, =-,7+ +,7+ (!), причем Л' < Ло и „7.' < „7,'.
Пренебрегая величинами второго порядка малости, получим систему линейных уравнений для приращений Л' и 7+. Исключая затем Л'„найдем шз — +пгглогтн ()!7гз — — ) — + ( пгглоо (Кз — — )— „,) а ~ 1,з) — ( !Р'м Ф вЂ” ) ~,7' = — О. (!'!1.59) Будем искать решение этого уравнения в виде 7; == Се"'. Тогда корни характеристического уравнения будут равны )ььг= 2 ~ — сзмлаптп(Кзз —,— г) + Р (7), Ж!! 60) где 1-1'=.. (ог!леото) ()гзз — — ) — 4 ( с'а!поп(!гы — — )— сг, та 1 ~ — — ( !н зз+ — ) ~ ° ( и 11.61) Нетрудно убедиться, что при выполнении условия ооз,остр + ! й !зтг, ~ оог!пото ! т.
е. при превьппении порога генерации, действительные части обоих корней отрицательны и, следовательно, рассматриваемое состояние устойчиво. Легко также видеть, что при небольшой мощности накачки, когда пороговый уровень превышен незначительно, величина 0 оказывается положительной, и процесс установления стационарного состояния имеет апернодический характер. При увеличении мощности накачки переходим в область !з -О, и переходной процесс становится колебательным, причем частота и затухание колебаний равны ! «вЂ” ! ! со==-1тЛ:= — ! — 0 6=- — КеХ==- — аг,аоот,(97д — — -).
2 2 н~ (!71!.62) Заметим, что затухание увеличивается с ростом доброт. ности резонатора. При больнзом превышении порога и при тп ч ! 'о„п,о (для рубина это означает тп > 10 '" век) выражение для частоты колебаний принимает вид оз '=- ~Г пз!поо)г' ~з ( ! — оггпоотп)7' и) ° (У !1 63) з 4 Отсюда видно, что при очень высоких уровнях возбуждения, когда Кз.- — з (Ъ'!!.64) оззпоото колебания снова оказываются апериодическими. Практпчески, однако, условие (у'11.64) не реализуется, и можно полагать, что со ='! ох!поп!рзз. (Ъ'!1.65) Строгое решение нелинейных уравнений типа (н11.56), (н'11.57) сопряжено со значительными математическими н,/опн 6 М-' это ' 6 1 2 Ю Ф 6 6 7 8 0 «с«сз« 7,/ооо ;4 1 16-' Я Я а 6 6 7 8 С, м«са« Рнс. Ъ'!1.36. Бременван завнснность нзлученна оптнческого гене- ратора прн разлнчных добротностях резонатора. трудностями и может быть проведено лишь численно с помощью электронных вычислительных машин (см., например, (308!). На рнс.
11!.36 представлены временные зависимости излучения рубинового генератора при различных значе- 997 пнях т„. Излучение представляет собой последовательность затухающих импульсов, которая в пределе стремится к стационарному уровню, опредечяемому формулами (У1!.58). !(ак видно, импульсная мощность, достигаемая в процессе установления колебаний, значительно превышает стационарное значение. С увеличением добротности резонатора импульсы излучения сближаются, а время установления стационарного состояния уменьшается.
При реальных значениях т„порядка 10 ' снк длительность отдельных импульсов имеет порядок 10 ' сея, а расстоя- Рнс. Ч! !.37. Хаотнчсскне пульсаннн налученкн руннноного гене- ратора. ния между ними составляют единицы микросекунд, причем по мере увеличения мощности накачки обе эти величины монотонно уменьшаются. Указанные значения длительности импульсов и частоты их следования соответствуют усредненным экспериментальным величинам. Эксперимент подтверждает также характер ряда расчетных зависимостей этих величин от различных параметров резонатора и мощности накачки.
В целом, однако, наблюдаемая па опыте картина генерации ие всегда соответствует теоретическим представлениям. Как правило, генерация представляет собой пульсации излучения, которые имеют незатухшощий характер, причем амплитуды аничков» и расстояния между ними беспорядочно флуктуируют (рис. ЧП.37). (В связи с этим ясно, что имеет смысл сравнивать с расчетом лишь усредненные параметры импульсов.) Такой режим излучения, обычно называемый «пичковым», свойствен, в частности, генераторам на стекле с неодимом, на рубине„а также на других кристаллах. Следует заметить, что в случае рубина, например, хаотичность пульсаций значительно уменьшается при охлаждении активного элемента до температуры жидкого азота. Вопросу пичкового режима излучения оптических генераторов посвящено большое число теоретических и экспериментальных исследований, Тем не менее природа этого явлеши в настоящее время полностью не ясна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
