Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 116
Текст из файла (страница 116)
1 — камера сгорания смеси; 2 — сверхзвуковые сопла Лаваля; 3 — днффузор, 4 — зеркала оптического резонатора, 5 — лазерное излучение, 5 в выход отработанного газа Рис. 3.16. Схема химического лазера с использованием реакции фторироввння водорода: 1 — реактивная камера; 2 — нагреватель; 3 — сопла; 4 — зеркала резонатора; 5 — лазерное излучение 3.2.6.
Химические лазеры Химические лазеры — лазеры, в которых инверсия населенностей создается во время экзотермических химических реакций, приводящей к преобразованиго химической энергии в энергию электромагнитного излучения. различают три вида химических реакций, на основе которых созданы химические лазеры: фотодиссоциация или распад молекул под действием света„' С1 диссоциация молекул при электрическом разряде в газе; взаимодействие молекул, атомов и соединений. Химический лазер с использованием реакции фторирования водорода представлен на Рис.
3.16, Лзолекулярггый азот Нз нагревают в камере до Т= 2000 К и одновременно в реактивную камеру вводят газообразный гексафторид серы (Ярк). В процессе смешения с горячим азотом происходит диссоциация с образованием атомов фтора. Смесь продувается со сверхзвуковой скоростью через сопла Лаваля. Одновременно вводится водород Н,. В результате взаимодействия фтора и водорода ооразуется колебательно-возбужденные молекулы фтористого водорода (Нр), которые проникают через оптический резонатор из параллельных зеркал.
В оптическом резонаторе возбуждается когерентное излучение на Часть Пl, Квантовая и оптическая электроник ббк длинах волн 2,б+ З,б мкм. Мощность непрерывной генерации достигает десятки килов при КПД- 10%. фотодиссационные лазеры содержат в качестве активной среды результат распада, на пример, по схеме СР 1 ' 1тк -+ СГ ~- 7' где 3* — возбужденный атом иода Йодный фотодиссационный лазер работает на длине волны Х = 1,31 мкм с энергией в им пульсе до 1ОО Дж. Существуют и другие типы лазеров с использованием различных типов химических реак цр[й, Разрабатываются лазеры, работающие в видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
3.2.7. Лазеры на парах металла Лазеры иа порах мепгагьтов — газовые лазеры, активная среда которых является парами металла. В настоящее время генерация газовых лазеров осуществляется на переходах атомов и атомарных ионов более 50 элементов, из них половина на переходах атомов или ионов металлов. Разрядная трубка с металлом помещается в трубчатую печь. Для поддержания разряда в ненагреваемых частях трубки используется буферный инертный газ, например, гелий (рис. 3.171. В некоторых конструкциях буферный газ используется в процессе создания инверсной заселенности уровней, например, в гелий-кадмиевом лазере.
Вместо термического нагрева иногда используют явление катафореза или движения дисперсионных частиц под действием электрического поля. Зто явление объясняется существованием на границе двойного электрического слоя. Рис. З.17. Схема лазера на парах металла: 1 — нагреватель; 2 — резонаторная трубка; 3 — электроды; 4 — зеркала резонатора Одной из перспективных конструкций является лазер на парах меди. В активной систе»ге лазеРа на паРах меди при переходах с резонансного уровня на метастабильный возникае кает уникально высокий коэффициент усиления. Зти лазеры могут работать в режиме сверх светимостн, при котором использование оптического резонатора необязательно Такая возможность позволяет использовать лазер на парах меди в качестве когерентных усик сипи идить телеи света, способных за один переход активной среды на несколько порялков усик ческуго яркость световых пучков, формируюгцих изображение или какую-нибудь оптичес у информацию.
Лазер на парах меди генерирует в зеленой части спектра 1. = 0,510 10 мкм. с еды Возможна генерация также на желтой линии Х =-0,578 мкм. Накачка активной ср пэ тем, в лазерах на парах металлов осуществляется газовым разрядом, оптггческим гб. процессом перезарядки, в процессе рекомбинации двукратно заряженных ионов. 3 Типы лазеров бб3 З.2.8. Лазеры на свободных электронах Лазеры на свободных электронах предсз валяют собой генератор когерентных электромагнитных колебаний оптического диапазона длин волн, принцип работы которого основан на взаимодействии пучка свободных релятивистских электронов с пространственно- периодическим электрическим или магнитным полем. Лазер на свободных электронах близок к приборам релятивистской высокочастотной электроники.
Зто приоор, принцип работы которого основан на эффектах квантовой и вакуумной электроники. Пучок релятивистских электронов создается ускорителем заряженных частиц и направляется в ондулятор. Ондуляноар представляет собой устройство, в котором создаются электромагнитные поля, действующие на движущуюся в нем заряженную частицу с периодической силой. Так, что среднее за период значение силы равно нулю. Движущаяся заряженная частица, попав в ондулятор, совершает периодические колебания и генерирует андулнтарнае излучение.
В общем случае цуги воли ондуляторного излучения представляют собой гармоники, кратные основной частоте. Частоты оы и-й гармоники в соответствии с эффектом Доплера определяются как Льг ОЭ„= 1 — 0~~ со50 гхбпс где ьз = " — частота колебаний частицы в ондуляторе. 11ри 0 = 0 частоты ондуляЛо торного излучения максимальны. Длина волны первичного излучения в направлении движения электронов Ло Л= —, гу где Л -- период электрического или магнитного поля в ондуляторе, у — отношение кинетической энергии элелтрона к их энергии покоя.
Если у » 1, то Л « Л, 1часгота первичного излучения во много раз превышает частоту поперечных колебаний электронов). В открьпом резонаторе, в который направляются релятивистские электроны и создаваемая ими первичная электромагнитная волна, происходит усиление волны и генерация направленного когерентного излучения. Такое излучение возникает из-за явления самосогласованного процесса, включаюцзего в себя группирование электронов в сгустки под действием резонансной первичной волны. Группирование электронов возможно только при условии расходимости пучка, не превышающей несколько миллирадиан, и при условии моноэнергетичности электронов, усиление происходит за счет когерентного излучения образовавшихся элскз раиных сгустков.
В лазерах на свободных электронах есть возможность плавной перестройки длины волны генерации путем изменения величины кинетической энергии электронов. Так, получена генерация в инфракрасном диапазоне длин волн 110,8 мкм, 3,4 мкм, 0,65 мкм). Средняя могцность излучения составляет около 5 Вт. КПД составляет - 1ом но может быть увеличен до 40яб при условии возврата электронов в резонатор.
Часть 00 Квантовая и оптическая злектрони„ 554 Задачи и упражнения ~3.1~ Лазер с модулированной добротностью Оценить основные параметры импульса излучения оптического квантового генератора при мгновенном включении добротности: пиковую мощность, время ть в течение котор го плотность энергии в кристалле постигает половины максимального значения, а таюк т„в течение которого плотность энергии в кристалле возрастет от максимального значе ния и затем потом снова упадет до половины максимального значения, Оценить энеРгию, высвечиваемУю в импУльсе за вРемЯ ть для численных оценок взять следующие исходные данные: длина кристалла Е= 3 см плотность активных частиц в кристалле п = 2х'10 см, частота излучения т = 4х10м Рц г время спонтанного перехода с верхнего рабочего уровня на нижний т„, = Зх!0 ' с. Рабочие уровни считать невырожденными.
Принять, что при сголной инверсии, создавае. мой в кристалле источником накачки, коэффициент квантового усиления равен =0,4 см г Считать потери в кристалле, включая потери за счет излучения через зеркала (основные потери), распределенными и коэффициент потерь равным а, = 0,13 см г. Решение Работу оптического квантового генератора опишем кинетическими уравнениями вида: ггг'гг гу иг ггг, — = — — ьа с — гучаяс — ' и ау т ик пг (3,1.1) г!иг иг — = — 2аяс — гУ гг'г пг где ггг — число фотонов в типе колебаний; ик — Разность чисел активных частиц на веРхнем и нижнем рабочих уровнях во всем объеме кристалла; и,;, — та же разность при полной инверсии (когда все активные частицы находятся на верхнем рабочем уровне); ак— коэффициент квантового Усиленил пРи их= и;„; т„— вРема жизни фотонов в Резонаюре.
Зта система несколько отличается от ранее полученной системы. Во-первых, коэффициент квантовою усиления записан в виде а„—, т. е. нормирован на пгь иг Во-вторых, во втором уравнении имеется множитель 2, появление которого связано с ™ что если нижний рабочий уровень нельзя счизать пустым, то переход активной частица' с верхнего рабочего уровня на нижний приводит к появлению одного фотона, но Разггость количества активных частиц уменьшается на две еднщшы (число частиц на верхнем уРовне уменьшается на единицу, а число частиц на нижнем уровне увеличивается наяд е иницу).
В-третьих, из уравнения для изменения разностей чисел на уровнях исключен чены члены, определяющие действие источника накачки на влияние спонтанною излу'ген ения, вклго т. к, это уравнение понадооится для описания поведения лазера после мгновенного вьл чения добротности, когда этими членами можно пренебречь ввиду их малости. -Р ь: оме баний того, по-другому записан член, описывающий изменение числа фотонов в типе колеба за счет спонтанного излучения (сравгги с выражением (1.1.5) задачи 1.11.
Отметим также, что в уравнение (3.!.1) входит скорость света в вакууме. Воооше гов ° в эти уравнения должна оыла входить скорость света в кристалле, но ввиду грубое'ги изводимых в дачьнейшем оценок считаем ее равной с. 3. Типы лазеров а вместо числа фотонов — к плотности энергии в кристалле Хйг Р= Тогда система уравнений (3,1.1) примет вил: Ыр и п„Ъ» — = -ицср+ а„ср — + авс —"— г(г и л г' г!п 2а с п Р г(! Ь (3.1.2) При выключенной добротности потери в лазере велики (для простоты принимаем аь» ая), генерации нет.
и и пя определяются сигналом накачки и перед включением добротности л = пл =- ис, т. е. все частицы с нижнего рабочего уровня переброшены на верхний, а плотность энергии ря в типе колебаний определяется спонтанным излучением. Тогда из первого уравнения системы (3.1.2) имеем и. й и. Гщ (3.1.3) и,— яи и,)' Г!осле мгновенного включения достаточно высокой добротности коэффициент потерь а, резко уменьшается и п„» и,.
Плотность энергии быстро нарастает за счет индуцироваиных переходов, и вклад спонтанного излучения становится ничтожным. Поэтому в первом уравнении системы (3.1.2) можно пренебречь последним членом, описывающим вклад спонтанного излучения в плотность энергии, и поведение лазера будет определяться следующей системой уравнений: ,(р и — = -и,ср+ и„ср— пь (3.1.4) г(и 2ияс и Р г(г ля и, умножая второе уравнение системы (3,1.4) на )щ(2 н складывая с первым уравнением, получаем ~1( Ггг ) — ~ р+ — иу! = -аьчр . г(г'х 2 Подставляя в правую часть этого равенства выражение для р из второго уравнения системы (3.1.4), имеем ио — р ь — и~! = —" !гчл„— ! и л .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
