OKG (732015), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рабочее тело выполняют в форме стержня с хорошо обрабо­танными торцевыми поверхностями, имеющими плоскопараллельную или сферическую форму. Точность отклонения обработки торцевых поверхностей от заданной формы лежит в пределах десятых долей длины волны. Параллельность плоских торцов выдерживается с точ­ностью до нескольких угловых минут.

Иногда вместо внешних зеркал используются отражающие по­крытия, нанесенные непосредственно на торцы рабочего тела. Бо­ковая поверхность рабочих стержней частично или полностью де­лается матовой, чтобы предотвратить возбуждение типов колеба­ний, распространяющихся с отражением от боковых поверхностей.

Инверсия населенностей в рабочем теле создается методом оптической накачки. Как отмечено выше, пороговая мощность на­качки имеет величину до сотен ватт на кубический сантиметр ра­бочего вещества ОКГ. Столь высокая плотность мощности накачки приводит к сильному нагреванию рабочих тел ОКГ. Это вызывает трудности, часто непреодолимые, в реализации непрерывно­го режима накачки твердотельных ОКГ. Поэтому ОКГ на твердом теле, как правило, работают в режиме одиночных или периодиче­ски повторяющихся импульсов. Источником накачки служат газо­разрядные лампы. Наиболее часто используются импульсные ксено-новые лампы, обладающие наилучшей эффективностью преобразова­ния электрической энергии в световое излучение, спектральный состав которого соответствует линиям поглощения используемых активных сред.

Лампы конструктивно выполняются в виде прямой или свитой в спираль трубки с введенными на концах электродами. Для ини­циации разряда в лампах предусматривается специальный внутрен­ний или внешний поджигающий электрод. Лампы и рабочий стержень размещают внутри отражателя, обеспечивающего эффективность пе­редачи световой энергии накачки в активную среду. При исполь­зовании спиральных ламп рабочее тело помещается внутри них, а отражатель, выполняемый в виде кругового цилиндра, охватывает лампу.

Более эффективны системы с прямыми лампами и отражателями в виде эллиптического цилиндра (рис.72, б), обеспечивающего фокусировку излучения ламп на рабочий образец. Для этого рабо­чее тело и лампы размещаются вдоль фокусных осей цилиндра.(Рис. 72,в иллюстрирует систему, в которой содержатся несколько ламп и одно рабочее тело.) Столь же эффективной оказывается более простая система, в которой лампа и активное тело находятся ря­дом внутри узкого отражателя с круглым или овальным сечением. Отражатель выполняется из серебряной или алюминиевой фольги. В конструкциях систем накачки очень часто предусматриваются ох­лаждение рабочего тела и ламп путем обдува их воздухом ахи об­текания хладоагентом.

Питание ламп осуществляется от батареи конденсаторов С_о (см.рис.72,а ), заряжаемых часто от сети переменного напряже­ния через повышающий трансформатор Тр. и выпрямительный эле­мент Д. . Нормальное напряжение заряда конденсаторов должно быть меньше напряжения самопробоя импульсной лампы накачки. За­жигание разряда в лампе осуществляется подачей на поджигапщий электрод высоковольтного инициирующего импульса от управляющей схемы. На рис.72,а последняя состоит из конденсатора С , за­ряжаемого от сети через диод Д2, тиратрона с холодным катодом и импульсного трансформатора Тр1. При замыкании кнопки К ти­ратрон зажигается, конденсатор с разряжается через первичную обмотку трансформатора и на вторичной обмотке появляется высо­ковольтный импульс.

Рубиновые ОКГ

Были первыми практически осу­ществленными оптическими квантовыми генераторами. В настоящее время ОКГ на рубине - наиболее распространенные и широко ис­пользуемые в практике. Это объясняется следующими достоинства­ми рубиновых ОКГ: излучение происходит в удобном спектральном диапазоне (в видимой области), обеспечивается большая Энергия генерации, рубиновые кристаллы легко получить высокого качест­ва, они имеют высокую прочность и не требуют охлаждения Рубив представляет собой кристалл корунда Аl₂0₃,в котором часть ио­нов Al³⁺ замещена трехвалентными ионами хрома Сг^3- Активными частицами, определяющими генерацию, являются ионы хрома. В ОКГ используют кристаллы розового рубина о массовой концентрацией Сr2О3 относительно Al2O3 , примерно равной 0,05 массы что составляет 1,6*10¹⁹ ионов хрома в I см³.

На рис.73 приведена система нижних энергетических уровней ионов хрома. Она существенно отличается от системы уровней сво­бодных ионов, что связано со взаимодействием ионов с сильными

полями кристаллической решетки. Обозначения уровней, приведен­ные на рис.73, заимствованы из теории групп, которая использу­ется при расчете, и не связаны непосредственно с принятыми обо­значениями уровней свободных ионов. Рабочим является переход 2Е->4А2. Состояние 2Е является метастабильным. При комнатной температуре его время жизни составляет около 3 мс. Уровень ²E в действительности состоит из двух подуровней Е и 2А , раз­деленных промежутком 29 см-1. Переходы с этих подуровней в основное состояние 4А2 соответствуют линиям излучения света R1 и R2 с длиной волны 694,3 и 692,9 нм при температуре 300°С.

Уровень 4F2 состоит из шести подуровней, которые из-за неоднородности кристаллического поля настолько уширены, что пе­рекрывают друг друга, превращая его в полосу. Уровень 4F1 так­же представляет собой полосу (см.рис.73).

Обычно генерация происходит на R1 -линии, для которой легче реализуются пороговые условия. Это связано с тем, что между ионами, находящимися на подуровнях Е и 2-4 , ответствен­ных за линии ^ и Rn , существует интенсивный обмен. В результате населен­ности подуровней Е и 2А устанавливаются в соответствии с законом Больцмана и нижний подуровень имеет большую насе­ленность. Возникновение генерации на частоте R1 - линии пред­отвращает возбуждение генерации на R2-линии, так как интен­сивные релаксационные процессы вызывают переход ионов с 2A на Е и населенность уровня 2А не может достигнуть порогового значения.

Рубиновые ОКГ работают, как правило, в режиме разовых и периодических импульсов. Имеются лишь отдельные разработки ге­нераторов непрерывного действия. Для рубиновых ОКГ характерна длительность импульсов порядка миллисекунд, частота следова­ния обычно не превышает сотни герц. Ее ограничивает нагревание кристалла и ламп накачки.

Важной характеристикой импульсного твердотельного ОКГ яв­ляется пороговая энергия накачки. Под ней понимают минималь­ную величину энергии питания ламп за одну вспышку, при кото­рой возникает генерация. Пороговая энергия накачки зависит от размеров кристалла, его температуры, типа используемой лампы, конструкции системы накачки, добротности резонатора и т.д.

Обычно пороговая энергия рубиновых ОКГ составляет десятки и coтни джоулей. С увеличением энергии накачки энергия ОКГ ограни­чивается возможностями системы накачки, размерами кристалла, его качеством, световой прочностью зеркал и другими факторами.

В ОКГ с кристаллом диаметром 2 см и длиной 30 см генери­руемая за импульс энергия достигает десятков джоулей. При дли­тельности импульса ~ I мс пиковая мощность генерации составля­ет десятки киловатт. В ОКГ о модулированной добротностью (бу­дут рассмотрены далее) импульсная мощность достигает десятков и более мегаватт. Коэффициент полезного действия, определяемый как отношение излучаемой энергии ОКГ к потребляемой им элек­трической энергии, для рубиновых ОКГ равен единицам процентов. Малый КПД связан во многом с низкой эффективностью системы на­качки. Используемые в настоящее время импульсные газоразрядные лампы накачки преобразуют в свет около 50% потребляемой элек­трической энергии. Примерно 30% световой энергии ламп, т.е. 15% электрической энергии, соответствует полосам поглощения рубина. Оптическая часть системы накачки обеспечивает передачу в рубин приблизительно 00% полезной энергии. Так что реально всего не­сколько процентов расходуемой электрической энергии идет непо­средственно на накачку рубина.

И

Излучение рубиновых ОКГ в зависимости от времени имеет сложный "пичковый" характер. В пределах каждого импульса накач­ки обычно оно представ­ляет собой хаотический набор разных по ампли­туде пичков, всплесков интенсивности генерации с длительностью и ин­тервалом между ними по­рядка микросекунд.

На рис.75 приведе­ны осциллограммы интен-сивностей накачки (а) и выходного излучения (б).

На характер этого режима влия­ют многие факторы, в частности конфигурация резонатора, рас­пределение интенсивности накачки по объему кристалла, его тем­пература, однородность и т.д. Так, эксперимент показывает, что хаотичность пульсации излучения значительно уменьшается вплоть до регулярного следования пичков при использовании в ОКГ от­крытых резонаторов, характеризующихся большим числом высоко-добротных типов колебаний (например, резонатора с одинаковыми сферическими зеркалами, расположенными на расстоянии, меньшем их удвоенного радиуса кривизны). Получению режима регулярных пульсации излучения способствует также однородное распределе­ние интенсивности накачки в рабочем кристалле и понижение его

температуры.

Важной характеристикой работы ОКГ является картина рас­пределения поля по площади сечения выходного пучка. Она опре­деляет диаграмму направленности выходного излучения. Минималь­ная ширина диаграммы направленности соответствует основному поперечному ТЕМ_00q типу колебаний. В случае использования пло­ских круглых зеркал ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности для ТЕМ_00q типа равна Т = 0,63 Л/d рад ( d - диаметр пятна на зеркале; Л - длина волны). При d = I см, Л = 0,6943 мкм Т = 4«10~⁴ рад, т.е. примерно 1,5'. Практи­чески ширина диаграммы излучения для рубиновых ОКГ превышает величину, вычисленную по этой формуле, раз в десять .Столь срав­нительно большая ширина диаграммы направленности связана с воз­буждением высших типов колебаний, оптическим несовершенством реальных рубиновых кристаллов (наличием в них центров рассея­ния и градиентов преломления по площади сечения образца). Рас­пределение поля по площади зеркала часто имеет весьма сложную мозаичную картину, которая в процессе генерации меняется от пичка к пичку.

Излучение рубиновых ОКГ обычно частично иди полностью по­ляризовано. Поляризация излучения определяется анизотропией рубиновых кристаллов, и ее характер зависит от угла ориентации оптической оси кристалла относительно геометрической оси стер­жня, вдоль которой распространяется свет в резонаторе. Обычно используются рубиновые стержни с ориентацией оси 60 или 90°. Излучение в ОКГ с такими стержнями имеет линейную поляризацию с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости, в кото­рой лежат оптическая ось ж ось стержня. В ОКГ с кристаллом 0-градусной ориентации излучение неполяризовано.

Оптические к вантовые генераторы на стекле

Активированном неодимом, находят такое же широкое распространение, как рубиновые.Это обусловлено до­стоинствами стекла: простотой изготовления образцов больших размеров (до нескольких сантиметров в диаметре и длиной до ме­тра и более), высокой оптической однородностью, возможностью введения рабочих частиц в необходимых концентрациях с равно­мерным распределением по объему.

Недостатком стекла является низкая теплопроводность, что затрудняет создание генераторов большой средней мощности и ограничивает его работу режимом одиночных импульсов.

Средняя мощность в импульсе генерации достигает единиц мега­ватт. Коэффициент полезного действия таких генераторов состав­ляет доли процента, их выходное излучение, так же как и у ру­биновых ОКГ, носит пичковый характер. Ширина спектра излучения при больших уровнях накачки достигает 20 нм. Излучение ОКГ на неодимовом стекле неполяризовано. Это связано с хаотической ориентацией ионов неодима и оптической однородностью стекла.

Угловая расходимость выходного луча ОКГ на неодимовом стек­ле достигает обычно единиц угловых минут, что значительно мень­ше величины расходимости излучения рубиновых ОКГ. Это обуслов­лено более высокой оптической однородностью стекла.

Газовые оптические квантовые генераторы

В газовых ОКГ, как следует из названия, активной усиливающей средой является газ. Рабочими частицами, переходы между энергетическими состояниями которых определяют генерацию, слу­жат атомы, ионы или молекулы. В соответствии с этим говорят об атомных, молекулярных и ионных ОКГ.

В настоящее время предложено множество методов создания инверсии населенвостей в газовых средах, использувдих электри­ческий разряд, энергию химических реакций, оптическую накачку и т.д.

Наиболее часто инверсия в газовых ОКГ осуществляется в ре­зультате электрического разряда, создаваемого непосредственно в самой рабочей среде. Основными механизмами, приводящими к из­быточной населенности верхних энергетических уровней в газоразрядных ОКГ, являются следующие процессы:

Характеристики

Список файлов реферата