Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Они одновременно вы- 140 олняют функцию отражателя. В связи с отсутствием электродов долговечность лампы существенно больше, чем у ламп обычной ,'конструкции, но распределенный источник излучения уменьшает КПД лазера. Основной недостаток газоразрядных ламп заключается в сравнительно низкой эффективности преобразования электрической 'энергии в световое излучение, соответствующее полосам поглоще' ния активного материала, Перспективным видом накачки является использование излу,.чения полупроводниковых люминесцеитных светодиодов, например на СаАз Р,, Люминесцентный полупроводниковый диод допускает температурную перестройку, так что максимум его излучения можно совместить, например, с максимальным поглощением УАО: Нбз', В этом случае КПД источника накачки максимален.
Для повышения эффективности накачки лампу и активное вещество помещают в осветитель, Эффективность светопередачи -'осветителя очень сильно влияет на КПД всего лазера в целом. ,Потери в осветителе составляют от 20 до 70%, что в основном и обусловливает низкий КПД твердотельных лазеров. Покрытия ,,осветигелей могут быть диффузные нли зеркальные. Отражатели 'с диффузными покрытиями обеспечивают более равномерное распределение энергии излучения лампы накачки по поверхности ,активного элемента, отличаются стойкостью к воздействию агрессивных сред и мощного оптического излучения. Их изготовляют из четыреххлористого кремния или керамики на основе аморфного диоксида кремния, которые в области О,б — 1 мкм имеют коэффи.
циент отражения 0,92 — 0,97. Зеркальные отражатели обладают большим коэффициентом отражения, позволяют осуществлять селективное отражение той части спектра излучения лампы накачки, которая приходится на полосы поглощения активного элемента. Однако они менее стойки к воздействию излучения ламп накачки, не обеспечивают 'равномерности распределения отраженной энергии на поверх,.ности активного элемента, особенна при повышенных энергиях накачки.
Зеркальные отражатели выполняют в виде многослойных 'структур, которые состоят из подложки, отражающих и защитных слоев. В качестве отражающих используются слои золота, се'ребра или многослойные диэлектрические покрытия, а материалы : защитных слоев Ог, Сц, 111, А! и другие выбярают с учетом их коррозионной стойкости, адгезин, устойчивости к механическим ', и климатическим воздействиям. Наибольшее применение получили осветители, в которых используется фокусировка излучения на активном элементе.
, Примером такой системы служит эллиптический осветитель, представляющий собой цилиндр эллиптического сечения, внутри которого вдоль фокусных линий размещены акзнвный элемент и 141 Ф Л ,9 о лампа (рис. 5.3, и). Так как лампа имеет конечные попереч~~г--ег — в — иые размеры, ее изображение о занимает некоторую область вблизи фокальпой линии. Если 4 диаметр активного элемента Я', превышает поперечные размеры изображения источника, то и) 4 эффективность системы будет 'ф' У йаг ~~ максимальной. В противном Ю ~,~у случае часть лучей иа образеп ие попадает. Таким образом. и . з.з. схеим оастру азз есзетз- эффективность эллиптической системы зависит от поперечных размеров источника накачки, активного образца и отражателя.
Кроме того, она определяется также зксцеитрнситетом эллипса, так как уменьшение последнего улучшает фокусировку. В ряде случаев в целях увеличения энергии накачки применяются устройства, являющиеся развитием системы с эллиптическим отражателем. Они представляют собой отражатель, образованный несколькими эллиптическими цилиндрами, имеющими общую фокальную линию (рис. 5.3, б, а).
Обычно используются системы с двумя или четырьмя цилиндрами. Это позволяет фокусировать на активном образце излучение от нескольких источников. Эффективность такого осветителя оказывается более низкой, чем осветителя с одиоэллипсным цилиндром, что связано с уменьшением фокусирующей поверхности каждого эллипса. На практике также получила распространение система, имеющая осветитель кругового сечения (рис. 5.3, а), в которой лампа и активный элемент расположены симметрично относительно продольной оси цилиндра.
Такая система несколько уступает в эффективности эллиптическому осветителю, но зато она проще в изготовлении. В отдельных случаях при небольших габаритных размерах цилиндрические отражатели изготовляют из монолитной заготовки легированного европнем кварцевого стекла.
В отражателе параллельно оси сверлят два отверстия, внутри которых располагают активный элемент и лампу накачки. Одиолампозый осветитель с отражателем такой конструкции обеспечивает высокую эффективность накачки в одномодовом режиме генерации за счет фокусировки излучения накачки в центральную часть активного элемента, а также фильтрацию ультрафиолетового излучения лампы. На практике, в связи с большим разнообразием конструкций и назначений лазеров, используются и другие типы осветителей. Известны так называемые осесимметричние системы (рис. 5.3, д, е, зс). К ннм относятся зксикоиы, сфероконы, сфероидальиые отражатели. Их достоинством является высокая равяомерность освещения активного элемента в плоскости, перпендикулярной к его 142 оси.
Но осесимметричные системы имеют ограниченное применение, так как получение высокого коэффициента отражения в них ,связано со значительными технологическими трудностями прн изтьотовлении. Для накачки мощных лазеров и в каскадах квантовых усили. ,гелей также используются осветители с фокусировкой излучения 'накачки на активный элемент. Их конструктивные особенности обусловлены конкретным видом активного элемента '(рис. 5.3, з, и, к). В большинстве лазеров накачка активного элемента осуще'ствляетса через боковую поверхность, что, как правило, приводит к заметной неравномерности распределения энергии накачки в поперечном сечении элемента.
Следствием этого процесса яв'ляется и неравномерность распределения инверсии в поперечном сечении активного элемента, что оказывает существенное влияние на энергетические, а также пространственные характеристики ' излучения. Изменяются типы колебаний резонатора, расходи.мость излучения лазера. Для выяснения основных закономерностей, приводящих к неравномерному распределению энергии, рассмотрим диэлектрический цилиндр радиусом Я с показателем преломления и, на который падает излучение накачки ~рис. 5.4, а).
' Представим, что все лучи, попадающие в точку А на поверхности стержня, приходят из любого направления в пределах угла и рад. Так как показатель преломления активной среды и существенно больше единицы, то угол преломления всегда будет меньше ' угла падення. Предельный угол 0, соответствующий углу падения я~2, равен з)п 0 = 1/и. Таким образом, все лучи, приходящие ' от лампы накачки, будут преломляться под меньшимн углами , и лежать между лучами 1 и 2. Используя аналогичные рассуждения для всех точек поверхности, приходим к выводу, что в цен, тральной части среды возникает область, характеризующаяся , повышенной плотностью мощности излучения накачки.
Размер этой области равен г = Я з!п 0 = Я/и. На рис. 5.4, б приведено распределение плотности мощности ' излучения накачки в активном элементе. При рассмотрении дву. мерной модели и отсутствии поглощения в среде на графической ; зависимости имеется резкий излом, соответствующий области максимальной концентрации излучения, При рассмотрении трехмерной модели, когда предполагается, что направления падающего Рмс, ЗЛ.
Концевтриро евине лучей в центральной вове цилиндрического стержня, оаусвовленное рефракцией' а — схема; о — распределение плотности моыности ивлученнв в антенном влементе; т — д тмерв*л модель: Ы вЂ” еревмервел модель о РЭ УГ4 излучения равномерно распределены в пространстве, этн завися. мости сглаживаются, но все равно в центральной области плотность излучения значительно превосходит периферийные районы, Физически это связано с фокусировкой излучения, обуслов. ленной тем, что показатель преломления активной среды больше, чем показатель преломления окружающей среды. Уменьшить нежелательные явления возможно, если поместить активный элемент в цилиндрическую оболочку из прозрачного материала, показатель преломления которого равен показателю преломления вещества активного элемента.
Вместо прозрачной оболочки для тех же целей могут использоваться иммерисонные жидкости, которые одновременно могут выполнять функции охлаждающей жидкости. 5,2. АКТИВНЫЕ СРЕДЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ Основу активной среды твердотельных лазеров составляет матрица. 1"енерирующими центрами являются частицы, введенные в матрицу.
В качестве таких центров используются ионы переходных мегзллов, редкоземельных элементов или актинндов, энергетические уровни которых используются для создания инверсной населенности. Относительная концентрация таких активных частиц — активаторов — обычно невелика и составляет единицы или доли процентов от поляого числа атомов в среде. Матрица непосредственно не участвует в физических процессах, приводящих к генерации, но ее вещество определяет основные технические свойства активной средж, В соответствии с выполняемой функцией вещество матрицы должно удовлетворять следующим требованиям: допускать введение н равномерное распределение активных ионов, на переходах которых осуществляегся генерация; быть химически стойким, оптически и механически прочным; прозрачным для излучения накачки и генерации; выдерживать значительный нагрев, возникающий в процессе создания инверсии и генерации излучения; обладать хорошей теплопроводностью и высокой фотохимической стоикостью; быть технологичным.
В настоящее время в качестве матриц применяются диэлектрические кристаллы с упорядоченной структурой, твердые растворы в виде смешанных разупорядоченных систем я стекла. В качестве кристаллических активных сред наиболее широко используются оксидные лазерные кристаллы: рубин А1,Оз: Ог", иттРиево-алюминиевый гРанат 1ИАГ) У,А1,0м .. Ыпз', александрит ВеА1,0„: Ог", гадолиний-скандий-галлиевый гранат (ГСГГ) СбзВсэОа,Ом: МсР' и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
