[6] Материалы Квантовой Электроники И Волоконной Оптики (987505), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

3. Усиление света в рабочем веществе должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, если бы в резонаторе отсутствовали потери электромагнит­ного излучения, связанные с излучением света наружу, несо­вершенством зеркал (качество зеркал характеризуется коэф­фициентом отражения), наконец потери в самой активной среде, то после многократного пробега волны через рабочее вещество усиление могло достигнуть сколь угодно больших значений. На практике же, для того чтобы лазер заработал, необходимо компенсировать имеющиеся потери энергии, для этого число активных частиц должно превзойти некоторое пороговое значение ∆N_m:

∆N_a=N₂-N₁; ∆N_a>∆N_n

∆N_a — число активных частиц, т. е. избыток частиц на уровне с большим значением энергии;

N₂— населенность уровня с большим значением энергии;

N₁— населенность уровня с меньшим значением энергии.

Исходя из сказанного, нетрудно установить структуру квантового генератора. Он должен включать три основных «элемента»: квантовую систему — рабочее вещество, источ­ник накачки и резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь. Конструкция лазера определяется, в пер­вую очередь, агрегатным состоянием и физическими свойст­вами используемого рабочего вещества. В качестве примера рассмотрим устройство твердотельного лазера, принципиаль­ная схема которого приведена на рис. 6.3. Она включает в себя блок активного вещества 1, резонатор 3, систему накач­ки 2. Система накачки состоит из лампы-вспышки, отражаю­щих и фокусирующих устройств, увеличивающих эффектив­ность накачки. Резонатор состоит из двух зеркал, которые могут быть по-разному изготовлены: зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, увеличивающим добротность резонатора; зеркала, образованные нанесением покрытий прямо на полированные торцы рабочего вещества и т. д.

Рис.6.3

Необходимо отметить, что качественные и количественные характеристики лазеров, в первую очередь, зависят от каче­ства материалов, используемых в роли активной среды.

6.4. Электрооптические материалы

Для эффективного использования оптического излучения лазе­ров и других генераторов света необходимо управлять этим излу­чением. Изменение основных параметров излучения: амплитуды, частоты, фазы и вектора поляризации осуществляется с помощью специальных устройств, называемых модуляторами. Принцип действия модуляторов оптического излучения основан на электро­оптическом эффекте.

Электрооптический эффект заключается в изменении показа­телей преломления диэлектрика под воздействием электрического поля. Зависимость изменения показателей преломления от напря­женности электрического поля может быть линейной и квадратич­ной, а соответственно материалы, в которых имеет место электро­оптический эффект, подразделяют на материалы с линейным электрооптическим эффектом и материалы с квадратичным электрооп­тическим эффектом.

Для характеристики электрооптического эффекта вводят спе­циальный параметр — полуволновое напряжение U_/2 представляющий собой величину при­кладываемого напряжения, при кото­ром фаза выходящего из кристалла света изменяется на 180°. Чем меньше значение U_/2,, тем проще осуществлять управление с помощью данного ди­электрика теми или иными параметра­ми светового излучения и тем больший интерес он представляет для электрооптики. Значение U_/2 для различных диэлектриков может составлять от единиц до десятков киловольт и зависит от длины волны света (рис. 6.4.1).

Р
ис.6.4.1 Графики зависимости полуволнового напряжения электрооптических кристаллов от длины волны в видимой области спектра.

6.4 Электрооптические кристаллы.

6.4.1 Материалы с линейным электрооптическим эффектом.

Линейный электрооптический эффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Кристаллы с линейным электрооптическим эф­фектом широко используют в. промышленности в качестве модуля­торов лазерного излучения. Кристалл должен удовлетворять сле­дующим требованиям: 1) быть оптически однородным (особенно в диапазоне рабочих частот}; 2) иметь малое полуволновое напря­жение U_/2 3) обладать хорошими электрическими характеристи­ками в рабочих интервалах частот и температур; 4) быть устойчи­вым к действию лазерного излучения и факторов окружающей среды; 5) хорошо обрабатываться.

Наиболее широкое промышленное применение получили крис­таллы дигидрофосфата калия КН₂Р0₄ (область прозрачности со­ставляет 0,2—1,35 мкм; U_/2 = 10 кВ при =0,546 мкм); дидейтерофосфата калия KD₂PО₄ (область прозрачности 0,2—1,6 мкм, U_/2=3,5 кВ при =0,546 мкм); ниобата лития LiNbO₃ (область прозрачности 0,4—0,5 мкм, U_/2=3 кВ при =0,546 мкм); танталата лития LiТаО₃ (область прозрачности 0,3—6 мкм, U_/2=2,5 кВ при =0,546 мкм).

Кристаллы дигидрофосфата и дидейтерофосфата калия выра­щивают из пересыщенных водных растворов. Они достигают боль­ших размеров и высокого оптического качества, стойки к лазерно­му излучению, обеспечивают модуляцию и прохождение световых потоков плотностью свыше 3-10¹² Вт/м². Их недостатком является растворимость в воде, что требует при эксплуатации специальных мер защиты.

Кристаллы ниобата и танталата лития выращивают методом вытягивания из расплава (метод Чохральского). Они по сравнению с кристаллами дидейтерофосфата калия более устой­чивы к воздействию внешней среды, требуют меньших управля­ющих напряжений, однако уступают в размерах, оптической одно­родности и стойкости к лазерному излучению.

Наряду с перечисленными кристаллами используют некоторые кристаллы кубической сингонии типа сфалерита (GaAs, CdTe, ZnS, CuCl). Эти кристаллы ввиду слабой зависимости ди­электрической проницаемости от длины волны излучения приме­няют в модуляторах СВЧ-диапазона.

6.4.2 Материалы с квадратичным электрооптическим эффектом.

Квад­ратичный электрооптический эффект характерен для кристаллов, имеющих центр симметрии, и для изотропных сред (например, жидкостей). Практический интерес представляют кристаллы перовскитов: танталата-ниобата калия Kta_0,65Nb_0,35O₃, титаната ба­рия ВаТiO₃, а также некоторые жидкости: нитробензол, сероугле­род и др. Полуволновое напряжение кристаллов группы перовскитов значительно меньше, чем у кристаллов, обладающих линей­ным электрооптическим эффектом. Однако широкому использова­нию этих кристаллов в системах модуляции и отклонения излучения препятствуют технологические трудности выращивания опти­чески однородных кристаллов.

В настоящее время в качестве электрооптического материала начали применять оптически прозрачную сегнетокерамику. Наи­больший интерес представляет оптически прозрачная сегнетокерамика системы ЦТСЛ Рb(Zr_xTi_1-x)O₃+yLa₂O₃, где х показыва­ет относительное содержание атомов Zr, у — относительное содержа­ние молекул оксида лантана. В зависимости от состава компонентов в системе ЦТСЛ может наблюдаться как линейный элек­трооптический эффект, так и ярко выраженный квадратичный эф­фект. Кроме того, сегнетокерамические материалы системы ЦТСЛ обладают электрооптическим эффектом памяти, который заключа­ется в том, что изменения показателя преломления, вызванные при­ложением электрического поля, сохраняются и после снятия поля, так как сохраняется остаточная поляризация.

6.4.3 Материалы с динамическим электрооптическим эффектом рас­сеяния света. Физическая сущность эффекта динамического рассея­ния света обусловлена беспрерывным хаотическим изменением по­казателя преломления диэлектрика при воздействии на него внеш­него электрического поля. Эффект динамического рассеяния све­та характерен для жидких кристаллов.

Жидкокристаллическое состояние — это термодинамически ус­тойчивое агрегатное состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. Это состояние существует лишь в определенном интервале температур между точкой кристаллизации и точкой превращения вещества в изотропную жид­кость.

Существует несколько структурных разновидностей жидких кристаллов: нематические, смектические, холестерическае. Наибо­лее широко используют нематические жидкие кристаллы, характе­ризующиеся следующими основными осо­бенностями: молекулы этих веществ имеют сильно вытянутую нитевидную конфигура­цию, в равновесном состоянии молекулы ориентируются преимущественно вдоль оп­тической оси кристалла; межмолекулярные силы взаимодействия очень слабы, что дает возможность легко изменять структуру жид­кого кристалла (ориентировать молекулы) под влиянием внешних воздействий (электрического поля, температуры и т. д.); имеет место оптическая и электрическая анизотропия, т.е. значения показателя преломления и диэлектрической проницаемости в правлении вдоль больших осей молекулы и перпендикулярно ему различны.

Если слой слегка проводящего нематического жидкого кристал­ла поместить в слабое электрическое поле, то молекулы под дей­ствием этого поля начинают ориентироваться. Возникающий поток ионов стремится нарушить эту ориентацию. При достижении элек­трическим полем некоторого порогового значения ранее устойчивая упорядоченная структура разрушается, молекулы начинают бес­порядочно вращаться и рассеивать падающий свет во всех направ­лениях. Внешне этот эффект проявляется в том, что жидкий крис­талл, будучи в исходном состоянии прозрачным, при напряжениях выше порогового становится мутным, как матовое стекло. Способ­ность жидких кристаллов эффективно изменять интенсивность проходящего через них света под влиянием электрического поля обусловила использование их в устройствах отображения инфор­мации, в устройствах оптической обработки информации и др. Наиболее широко используют жидкие кристаллы для построения буквенно-цифровых индикаторов. Основной конструкцией боль­шинства типов буквенно-цифровых индикаторов является жидко­кристаллическая ячейка (рис. 6.4.2). Она представляет собой две стеклянные пластинки, на внутренние стороны которых нанесены тонкие прозрачные электроды.

Р
ис.6.4.2

Устройство индикатора на жидких кристаллах:1-стеклянные платины; 2- жидкий кристалл; прозрачный электрод; 4-зеркальный электрод

Пластины сварены между собой, так что они образуют плоский сосуд, причем расстояние между внутренними стенками обычно равно 5—50 мкм. Сосуд заполняют жидким кристаллом и герметически запаивают. При подаче напря­жения больше порогового жидкий кристалл рассеивает падающий свет и высвечивает электрод. Для возникновения эффекта динами­ческого рассеяния света удельная проводимость жидкого кристалла должна составлять 10^-11—10^-12 См/м; при меньших значениях

 эффект динамического рассеяния света не возникает, а при больших  значительно снижается ресурс работы. Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1—10 мс, а время исчезновения после снятия напряжения —20—200 мс. Эффект ди­намического рассеяния света возникает под воздействием невысо­ких напряжений (от нескольких вольт до десятков вольт) и при чрезвычайно малом потреблении энергии (0,1—1 Вт/м²), что позволило создать на основе жидких кристаллов самые экономич­ные устройства отображения информации. В качестве жидких крис­таллов нематического типа применяют очень многие органические соединения — азометины, сложные ароматические эфиры, азокси-соединения и др. Наилучшие результаты для технического приме­нения дают их эвтектические смеси.

Характеристики

Список файлов учебной работы