А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Активная среда выполняет роль усилителя, спонтанное излучение является шумом. Свойство активной среды усиливать оптическое излучение можно характеризовать отрицательным коэффициентом поглощения по аналогии с сосредоточенным дифференциальным сопротивлением у активных двухполюсников. При рассмотрении свойств активной среды необходимо учитывать конечную ширину энергетических уровней, между которыми осуществляются переходы. Ее определяет взаимодействие между атомами или молекулами среды, аналогично тому, как взаимодействуют связанные колебательные контуры.
Центральная частота перехода для каждого атома зависит от его скорости и условий окружения (от внутрикристаллических полей, полей заряженных частиц в газовом разряде, их столкновений и т. д.). Под влиянием этих факторов частотный диапазон, в котором активная среда может обладать усилением, становится шире, чем для изолированного атома. Для частоты максимума линии поглощения коэффициент поглощения Ьи а = — (и, — п2)Вп, (6.89) сеЬг где Ь вЂ” постоянная Планка, с — скорость света в вакууме, а — коэффициент порядка 1, л, и л, — числа атомов в ! см' соответственно на нижнем уровне 1 и на верхнем уровне 2, „— коэффициент Эйнштейна — вероятность индуцированного поглощения (или индуцированного испускания Вп) кванта, соответствующего переходу 1 - 2 (2 -+ 1), Ьи — полуширина линии перехода. Из (6.89) следует„что при и, ) л, а становится отрицательным, при этом происходит индуцированное испускание и возможно усиления света.
Зависимость интенсивности света от координаты в направлении распространения а определяет величина 1 = 1, ехр( — а)ж (6.90) Для получения состояния с инверсной заселенностью используют различные методы, ориентированные на различные среды. Наиболее универсальным является метод оптической накачки, применимый для твердых тел, жидкостей и газов. Рассмотрим кристалл с примесными атомами, обладающими тремя энергетическими уровнями (рис. 6.22). Роль накачки состоит в возбуждении атомов из основного состояния 1 на уровень 3, после чего атомы быстро переходят в состояние 2. Вероятность спонтанного перехода 2 1 должна быть гораздо меньше вероятности перехода 3 — 2. При достаточно мошной накачке число атомов на уровне 2 превосходит их число на 164 Глава 6. Усилители алект ческих и оптических сигналов уровне 1, т.
е. возникает неравновесное состояние инверсной заселенности. Ввиду того, что источник накачки обладает широким спектром излучения, эффективность данного метода оказывается низкой ( О, 1%). 3 В полупроводниковых оптических усилителях инверсная за- селенность достигается пропусканием тока через р — п-переход, й В результате этого вблизи р — п-перехода возникает состояние с инверсной заселенностью.
Усилители такого типа называют ин$ жекционными. При рекомбинации электронов зоны проводи„л мости с дырками валентной зоны излучается фотон, энергия которого приблизительно равна ширине запрещенной зоны полупроводникового материала. Коэффициент полезного действия полупроводниковых оптических усилителей достигает 70%. , д„р „, В газовых лазерах возбуждение атомов осуществляется вывиевой системы сокочастотным разрядом. Спектральный диапазон работы инжекционных оптических усилителей иллюстрирует таблица, представляющая состав полупроводниковых материалов, наиболее широко используемых в качестве активных сред, и центральную длину волны усиления. Полуширина линии усиления составляет 100А, что соответствует полосе частот = 3 10и Гц.
6.10. Параметрический усилитель оптического излучения В параметрических усилителях оптического излучения элементом с переменным параметром является прозрачная среда, диэлектрические характеристики которой изменяются во времени под действием мошной волны, создаваемой генератором накачки. В качестве такой среды используют кристаллы, поляризация Р которых в сильных электрических полях нелинейно зависит от напряженности поля Е. Эту зависимость можно описать разложением Р = кЕ+ ХЕ'+ ..
(6.91) Предположим, что в таком кристалле распространяется мощная световая волна Е„ (волна накачки) Е„= Е„соа(ю„Ф вЂ” Й„г) (6.92) и слабая волна Е (6.93) Е = Е сов(ьЛ вЂ” йг). Подставив в (6.91) Е = Е+ Е„, где Е„и Е определяются соотношениями (6.92)„(6.93), 6.10. Параметрический усилитель оптического иэл чехия 165 получим поляризацию кристалла под действием суммы волн (6.92) и (6.93) Р = хЕ„+ хЕ + )ГЕ„+ 7(Е' + 2ХЕ„Е + ..
Среди полученных слагаемых выделим два, линейно зависящие от напряженности поля слабой волны. Их вклад ЬР в общую поляризацию Р определяет соотношение (6.94) йР = Е(х + 27(Е„). Выражение в скобках можно рассматривать как поляризуемость х кристалла для слабой волны Е в присутствии волны накачки, причем х = х+ 2ХЕ„соз(ы„( — Й„т). Полученное выражение показывает, что в присутствии волны накачки нелинейный кристалл является для слабой волны средой с переменным параметром — поляризуемостью.
Если в такой среде распространяется слабая волна Е, (6.95) Е, = Е, сов(ы,( — Й,т), она создает дополнительную поляризацию ЬР„которую можно найти с помощью со- отношения (6.94), подставив в него Е = Е,. В результате получим ЬР, = х,Е, соз(ы,( — Й,т) + + ХЕ, Е„[соз [(ы„— ыд(+ (Ʉ— Й1)ю [+ соз [(ы„+ ач)(+ (Й, + Й )1 [) . (6 96) Отсюда видно, что благодаря действию накачки слабая волна с частотой ы, порождает волны поляризации с комбинационными частотами ы„~ м,. Волны поляризации, как подвижные антенны, создают волны излучения. Таким образом, волна излучения с частотой ш, вызывает появление в кристалле волн излучения с комбинационными частотами ы„~ ю,. Рассмотрим волну с комбинационной частотой ы, = ы„— м,.
Она имеет вид (6.97) Е2 = Ег сов(сизй — Йзт)т и тоже создает дополнительную поляризацию ЬР„которую можно пай~и, подставив в (6.94) Е = Е„где Е, определено (6.97). В результате получим ЬР, = х,Е, соз(ы,$ — Й,т) + + ХЕ, Е„[сов[(ы„— ы,)(+ (Ʉ— Й,)т[+ сов[(ы„+ ы2)(+ (Й„+ Й,)т). (6.98) Отсюда, принимая во внимание, что ы„— м, = ы„приходим к выводу, что второе слагаемое в этом выражении представляет собой волну поляризации с частотой ы„т. е. с частотой волны Е,. Эта волна поляризации создает излучение с частотой ю„а волна с частотой ы, создает излучение на частоте ю,, причем (6.99) ы$ + ~~2 ~~~» В результате обе эти волны будут усиливаться аналогично тому, как в двухконтурном параметрическом усилителе усиливаются колебания с частотами ю, и ы„удовлетворяющими соотношению (6.91), которое полностью совпадает с выражением (6.99).
Отличие параметрического усиления радиосигналов и сигналов оптического излучения состоит в том, что в оптике явления носят волновой характер и происходят не в сосредоточенных колебательных контурах с нелинейным конденсатором, а в распределенных нелинейных средах. Энергия,'необходимая для усиления волн Е, и Е„ отбирается ст волны накачки через посредство соответствующих волн поляризации. Для того чтобы передача энергии от волны накачки к слабым волнам Е„Е, не нарушалась в процессе распространения этих волн'в кристалле, необходимо, чтобы сохрянялись разности фаз слабых волн Е, и 166 Глава 6.
Усилители елект ических и оптических сигналов Е, относительно соответствующих волн поляризации. Из (6.98) следует, что это условие соблюдается, если й,+й,=й„. (6.100) Это соотношение называют условием фазового синхронизма. Таким образом, из всех возможных пар волн, частоты которых удовлетворяют соотношению (6.99), усиливаются лишь те, для которых выполнено условие фазового синхронизма (6.100). Если бы дисперсия света в кристалле отсутствовала, условие (6.100) обеспечивалось бы автоматически. В действительности из-за дисперсии света волна накачки и волны с комбинационными частотами распространяются с различными скоростями и условие фазового синхронизма, как правило, не выполняется.
Однако в некоторых случаях его можно выполнить. В частности, это возможно в двулучепреломляющих кристаллах, например КОР, при распространении волны накачки вдоль направления, составляющего с оптической осью кристалла определенный угол 6, называемый углом синхронизма. При его изменении изменяются величины частот ы, и ы„для которых выполняется условие синхронизма.Это позволяет настраивать параметрический усилитель света на усиление волн с заданными частотами ю, и ю,. Для увеличения усиления необходимо увеличивать длину пробега волн в кристалле. С этой целью кристалл помещают внутри открытого резонатора, состоящего из двух плоских параллельных зеркал.
В таком резонаторе волны проходят кристалл многократно, что обеспечивает значительное усиление. Если усиление превышает потери, неизбежные при распространении волн в кристалле и при отражении от зеркал, то параметрический усилитель самовозбуждается и превращается в параметрический генератор света. Возбуждение параметрического генератора возможно за счет усиления флухтуационного излучения с частотами м, и ы„ всегда имеющего место в кристалле. Параметрический генератор света представляет значительный интерес, так как является перестраиваемым по частоте источником мощного когерентного излучения, позволяющего полностью освоить оптический диапазон.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
