Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Эти элементы входят в матрицу в виде двух- итрехзарядных ионов. Поперечный размер активных средсоставляет от нескольких миллиметров до несколькихсантиметров, а длина—до 100 см.Рубиновый лазер. Матрицей рабочего вещества в этом лазере являетсякристаллическая решетка корунда А12О3, а активной средой— трехзарядные ионы хромаСг3+. Схема энергетических уровней иона хрома показана на рис. 15.21.
В результатевоздействия сильного внутрикристаллического поля основной уровень расщеплен на дваподуровня 1, энергетический переход между которыми используется в квантовыхпарамагнитных усилителях (см. § 13.1). Следующие уровни также расщеплены наподуровни 2 и 3. Тепловые колебания ионов и дефекты кристаллической структурывызывают местные изменения электрического поля, приводящие к уширениюэнергетических уровней.
Ширина подуровней 1 и 2 незначительна, а подуровней 3настолько существенна, что их называют полосами.Расстояния между подуровнями 1 и полосами 3, а также между подуровнями 1 и 2соответствуют оптическому диапазону волн. При использовании этих переходовподуровни 1 можно считать совпадающими, так как переход между ними соответствуетСВЧ-диапазону.224Подуровни 2 являются метастабильными (время жизни около 3·10 –3 с). Полное времяжизни подуровней 3 определяется безызлучательными релаксационными переходами наподуровни 2.
Время жизни уровней 3, связанное с безызлучательными переходами, порядка10-7 с и много меньше времени жизни, связанного со спонтанными излучательнымипереходами. Поэтому населенность подуровней 3 будет уменьшаться в основном из-забезызлучательных переходов, вызванных взаимодействием с кристаллической решеткой.При этом избыток энергии переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.Теперь можно объяснить получение инверсии населенностей в рубиновом лазере.
Подвоздействием излучения источника света происходит возбуждение подуровней 3 иувеличение их населенности. Вследствие безызлучательных переходов происходит быстроеуменьшение населенности подуровней 3 и заселение матастабильных подуровней 2.Поэтому населенность подуровней 2 может стать больше населенности основного уровня 1.Инверсия населенностей при выполнении условий самовозбуждения обеспечит генерациюколебаний.
Так как разрешены переходы в основное состояние с верхнего и с нижнегоподуровней 2, то возможна генерация излучения в красной области с длинами волн λ =0,6943 мкм (6943Ǻ) и λ = 0,6929 мкм (6929Ǻ). Известно, что наиболее благоприятныеусловия для генерации излучения с λ=0,6943 мкм, однако, применяя специальные фильтры,можно обеспечить генерацию на длине волны λ=0,6929 мкм.Рубиновые лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Дляполучения импульсного режима используют импульсные ксеноновые лампы. Системаоптической накачки содержит лампу (ламповая накачка) и элементы, обеспечивающиеконцентрацию светового тока на активный стержень.
Эффективность системы оптическойламповой накачки определяют как отношение энергии, поглощенной в материале, к энергии,потребляемой лампой. Различные варианты систем оптической накачки показаны на рис. 15.22.Импульсные лампы имеют форму спирали (см. рис. 15.22, а ) , на оси которой расположенактивный стержень, или цилиндра (см. рис. 15.22, б ) , расположенного параллельно этомустержню. Зеркальные поверхности специальной формыконцентрируют световой поток в стержне.
Применяется такжевозбуждение световым потоком в торец активного стержнячерез переходное сапфировое устройство (см. рис. 15.22,в), вкотором используется полное внутреннее отражение.Импульсный режим работы ламп обеспечивается разрядомконденсаторов, которые предварительно заряжаются отисточника напряжением до нескольких киловольт. В световоеизлучение обычно переходит около 25% подводимой к лампемощности, остальная мощность выделяется в виде тепла . Для225работы в непрерывном режиме используют специальные дуговые капиллярные лампы и лампынакаливания.Выходная мощность рубинового лазера зависит от энергии накачки. Генерация начинаетсяпри некоторой пороговой энергии в несколько сот джоулей. В дальнейшем мощность излучениярастет практически линейно.
Энергия лазерного излучения у наиболее мощных рубиновыхлазеров достигает 10 Дж. Так как длительность импульса порядка 10 мс, то средняя мощность вимпульсе составляет около 1 кВт. При этом КПД не превышает 1%. В лазерах непрерывногодействия используют кристаллы относительно небольшого размера, и выходная мощностьтаких лазеров порядка 100 мВт.Лазер с использованием ионов редкоземельных элементов. При использовании вкачестве активных частиц ионов редкоземельных элементов (неодима, диспрозия,самария, эрбия, гольмия и празеодима) инверсия населенностей создается по четырехуровневойсхеме (рис. 15.23). В отличие от трехуровневой системы рубинового лазера в четырехуровневыхлазерах нижний уровень лазерного перехода находится на достаточно большом расстоянии отосновного уровня, значительно большем величины kT.
В этом случае населенность нижнеголазерного уровня оказывается небольшой даже при комнатной температуре. Это облегчаетсоздание инверсии населенностей, приводя к уменьшению мощности источника оптическойнакачки. Понижение рабочей температуры от комнатной до температуры жидкого азота и гелияеще больше облегчает получение инверсии населенностей, так как затрудняет тепловоевозбуждение нижнего лазерного уровня.Рассмотренные твердотельные лазеры работают в импульсном и непрерывном режимах.Порог накачки в импульсном режиме низок и составляет единицы джоулей. Наибольшая энергияв импульсе (до 1 кДж) получена в лазере на стекле с неодимом. В этом лазере использованстержень диаметром 20—30 мм и длиной до 80 см.
Коэффициент полезного действиятвердотельных лазеров с редкоземельными ионами низок и составляет десятые доли процента.Твердотельные лазеры с модуляцией добротности. Длительность импульса излучениямощных твердотельных лазеров порядка 1 мс, а энергия излучения несколько сот джоулей,поэтому импульсная мощность достигает нескольких сот киловатт. Однако в локации и другихприменениях необходимы более короткие импульсы с большой импульсной мощностью.Эту задачу можно решить, обеспечив накоплениеактивныхчастицнаверхнемметастабильномэнергетическом уровне в течение большого времени безвыполнения условий самовозбуждения, а затем выполнивусловия самовозбуждения на очень короткое время. Дляэтого необходимо уменьшать добротность резонатора навремя действия импульса накачки до уровня, прикотором не выполняется условие самовозбуждения, ивосстанавливать ее в конце импульса накачки, когдазаканчивается накопление активных частиц.
Такой методполучения коротких импульсов излучения с большойимпульсной мощностью называют режимом модуляциидобротности резонатора.Длительность импульса в режиме модуляциидобротности порядка десятков наносекунд вместо 10-3с в обычном рубиновом лазере. При той же энергии вимпульсе это означает увеличение импульсной мощностипримерно в 105 раз, т. е. до 108 Вт.Изменить величину добротности можно с помощьюмеханических, электрооптических, магнитооптическихи жидкостных («пассивных») затворов.226В качестве простейшего механического затвора используют вращающийся диске отверстием,расположенным между зеркалами 31 и 32 резонатора (рис. 15.24,а).
До тех пор, покаотверстие не окажется на оси резонатора, происходит накопление активных частиц, а вмомент прохождения отверстия через ось резонатора добротность резонатора резковозрастает, так как появляется возможность для отражения излучения от второго зеркала.Целесообразнее использовать вращение одного зеркала (рис. 15.24, б) или призмы (рис.15.24, в). В этих способах условия самовозбуждения выполняются в момент параллельногорасположения зеркал или положения призмы, изображенный на рис.
15.24,в. Скоростьвращения достигает 20000—30000 об/мин, что соответствует времени изменениядобротности около 10-7 с.Возможны механические способы модуляции добротности изменением отражающейспособности призмы при приближении к ней диэлектрической пластинки (рис. 15.24,г).Необходимое в этом способе перемещение пластинки в пределах половины длины волныможет быть получено с помощью пьезоэлектрического эффекта.Электрооптические затворы (ЭОЗ) основаны на использовании электрооптическихэффектов, заключающихся в том, что под действием внешнего электрического поля можнополучить искусственную оптическую анизотропию в некоторых жидкостях (эффект Керра)и твердых кристаллах (эффект Поккельса). Схема применения элемента Керра (илиПоккельса) для модуляции добротности показана на рис.
15.24,д. Магнитооптическиезатворы основаны на влиянии магнитного поля (эффект Фарадея).В последнее время широко применяются пассивные затворы. Известно, что оптическиесвойства некоторых органических красителей изменяются под воздействием света.Объясняется это возбуждением молекул красителя, находящихся в основном состоянии.Происходящее при этом уменьшение населенности основного уровня приводит к резкомууменьшению поглощения света (просветление раствора).Предположим, что прозрачная кювета, в которой находится просветляющийся растворкрасителя, помещен в резонатор рубинового лазера (рис.
15.24,е). В исходном состояниипоказатель поглощения раствора велик (большие потери). Импульсная световая накачкаприводит к созданию в среде инверсии населенностей и, когда разность населенностейуровней превысит пороговое значение, начинается генерация. Появившееся излучение,проходя через раствор с красителем, вызывает в нем резкое уменьшение показателяпоглощения (просветление). Это приводит к быстрому лавинообразному росту мощностиизлучения. Рубиновые лазеры с пассивными жидкостными затворами позволяют получитьимпульсы длительностью около 10-8 с с энергией несколько джоулей.227§ 15.7.
Полупроводниковые лазерыУсловия получения инверсии населенностей в полупроводниках. В полупроводниковыхлазерах используется инверсия населенностей, получаемая в полупроводниках с одним илис различными типами проводимости (р — n-переход).Идеальным было бы состояние (рис. 15.25), когда уровни в области 2 полностьюзаполнены электронами проводимости, а нижние в области 1 полностью свободны отвалентных электронов, т. е. полностью заполнены дырками. В этом случае инверсиянаселенности была бы наибольшей.Формально полупроводник, в котором большинство уровней в области 2 зоны проводимостизанято электронами, а в области 1 валентной зоны — дырками, можно назвать вырожденнымодновременно для электронов и дырок, в то время как обычноудается создать либо электронные, либо дырочные вырожденныеполупроводники. Предположим, что в такой полупроводникпопадает фотон с энергией hν, большей ширины запрещенной зоны∆∈0, но меньшей ∆∈— величины, соответствующей границамобластей 2 и 1, заполненных электронами и дырками:При этом условии будут происходить вынужденные переходы изобласти 2 в область 1 с испусканием новых фотонов.
Если энергияпадающего фотона hv>∆∈, то начнется поглощение квантов ивозникнут переходы из области 3 валентной зоны, где естьвалентные электроны, на свободные уровни области 4 зоны проводимости.В вырожденном электронном полупроводнике верхняя граница заполненной электронамиобласти 2 в зоне проводимости приблизительно совпадает с уровнем Ферми для электронов∈Fп, а в вырожденном дырочном нижняя граница заполненной дырками области 1 ввалентной зоне — с уровнем Ферми ∈Fp для дырок. Поэтомуи условие (15.29) для получения вынужденного излучения запишем в видеВынужденное излучение будет появляться при воздействии фотонов с энергией,заключенной в пределах от hνмакс=∆∈0 до hνмакс=∆∈ =∈Fп – ∈Fp.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
