Реферат: Рубиновый оптический квантовый генератор

Содержание:

1. ОКГ на твёрдом теле…………………………………………………. 2 2. Активный элемент рубинового ОКГ……………………………….. 4 3. Работа рубинового ОКГ……………………………………………… 8 4. Осветители……………………………………………………………. 14 5. Использованная литература…………………………………………. 16

ОКГ натвёрдом теле.

Оптическими квантовыми генераторами(ОКГ) на твердом теле называют такие оптические квантовые генераторы, вкоторых в качестве активной усиливающей среды используется кристаллический илиаморфный диэлектрик. Примерами твердотельных ОКГ могут служить широкоизвестныерубиновые ОКГ или генераторы на стекле. В этом случае инверсия заселенностиобразуется на энергетических уровнях атомов и ионов вещества, находящегося втвердом агрегатном состоянии.

При рассмотрении твердотельных ОКГследует учитывать принципиальные особенности таких приборов. Концентрацияактивных частиц в твердом материале (1017 — 1020см~3)на несколько порядков превышает концентрацию частиц в газовых средах. Поэтомув твердом теле населенности энергетических уровней значительно больше.Естественно, что и абсолютная величина инверсии заселенностей может бытьсущественно больше, чем в газах. Отсюда понятно, что твердые активные средыдолжны характеризоваться высоким коэффициентом усиления. Это позволяет,во-первых, получать большие мощности генерации и, во-вторых, добиватьсягенерации при малой длине активного слоя.

Твердое тело как оптическая средаобладает гораздо меньшей оптической однородностью по сравнению с газами. Этоприводит к возникновению объемных потерь на рассеяние, снижению добротностирезонатора при значительной длине активного элемента. Поэтому нет смысла делатьактивные элементы большой длины. Активные элементы твердотельных ОКГ имеютдлину не более 50—60 см для наиболее оптически однородных материалов.Оптическая неоднородность среды приводит к тому, что сверхпороговая инверсиясоздается не по всему сечению активного элемента, а в определенных узкихканалах. Поэтому угол расхождения пучка генерируемого излучения, оцениваемыйдаже из дифракционных соображений, оказывается значительным. В твердотельныхОКГ угол расхождения измеряется десятками минут.

В твердом теле взаимодействие междучастицами существенно искажает структуру энергетических уровней. Как правило,энергетические уровни частиц твердого тела имеют большую ширину. Линииспонтанного излучения (флюоресценции) и генерации расплываются в широкиеспектральные полосы. Для спонтанного излучения характерна ширина полосы внесколько ангстрем (кристаллы) или в несколько десятков ангстрем (стёкла).Ширина линии генерации составляет в лучшем случае доли ангстрема.

Способ создания инверсии втвердотельных ОКГ принципиально отличается от накачки в газовых и полупроводниковыхОКГ, он не может быть связан с прохождением электрического тока через твердыйдиэлектрик. Для твердотельных ОКГ характерна так называемая оптическаянакачка. При оптической накачке заселение возбужденных состояний достигаетсяпутем интенсивного облучения активного материала излучением внешнего источника.Специально подобранный спектральный состав этого излучения или определенноесоотношение между вероятностями соответствующих переходов приводит кпреимущественному заселению верхнего рабочего состояния и возникновениюинверсии.

Активныйэлемент рубинового ОКГ.

Первым оптическим квантовымгенератором был генератор, в котором в качестве активного элемента использовалсяискусственный кристалл рубина. Рубиновый ОКГ и в настоящее время являетсяодним из наиболее распространенных.

Промышленностью выпускаются активныеэлементы из синтетического рубина, технические требования и размеры которыхустановлены стандартами: ОСТ 3-24—70 и ОСТ 3-25—70.

В соответствии с этимистандартами рубиновые элементы могут иметь конфигурацию, представленную в табл.1.

Обозначениерубинового элемента состоит из указания типа (табл.1.) и его размеров, напримерРЛ1Б 10х120. Выпускаются рубины диаметром от 3,5 до 16 мм и длиной от 45 до 240мм с ориентацией оптической оси в пределах от 60 до 90°. Боковая поверхностьобрабатывается одним из следующих способов: шлифовкой в пределах 5—10 классовчистоты, механической полировкой, при которой достигается чистота поверхностине ниже 12-го класса, а также химической или шероховатой полировкой. Диаметрактивного тела при механической полировке обрабатывается по скользящей посадке4-го класса; при всех других видах обработки обеспечивается скользящая посадка5 класса точности. Непараллельность торцов у элементов типа Р, РЛ, РЛ2Б непревышает 10".

Активные тела из рубина нашли широкоеприменение в лазерной технике благодаря тому, что рубин генерирует излучение ввидимой области спектра, может работать при комнатной температуре, имеетвысокую механическую прочность и порог разрушения. Однако кристаллы рубинаобладают обычно значительной оптической неоднородностью. Источниками этойнеоднородности являются дефекты кристаллической решетки (дислокации, блоки,плоскости скольжения, инородные включения, неравномерное распределение ионовхрома в образце). Наличие дефектов в кристаллах вызывает появление в нихвнутренних напряжений. Неравномерное распределение в объеме кристалла ионовтрехвалентного хрома вызывает значительную неоднородность показателяпреломления и появление деформации решетки, что вызывает аномальноедвулучепреломление.

На угловую расходимость и деформациюволнового фронта наибольшее влияние оказывают механические напряжения инеравномерность концентрации хрома по сечению. Существующая в настоящее времятехнология выращивания рубинов не обеспечивает равномерное распределение хромав поперечном сечении образца. Центральная часть образца имеет меньшую концентрациюхрома и, следовательно, меньший, чем на периферии образца, коэффициентпреломления п. Кроме того, может иметь место скачкообразное изменениепоказателя преломления на границах некоторых участков кристалла. В результатероста в кристалле возникают и внутренние деформации. Все это приводит к тому,что образец со взаимно параллельными торцами в оптическом отношенииэквивалентен рассеивающей линзе. Плоская волна, проходя через активную среду,из-за радиального изменения показателя преломления, вызываемого деформациями инеоднородностью концентраций хрома, в значительной степени искажается. Этоприводит к повышенной расходимости лазерного луча и неоднородномураспределению энергии в нем. В результате исследований показано, в частности,что внутренние механические деформации образца оказывают наиболее сильноевлияние на угловую расходимость луча, распределение интенсивности излучения иселекцию мод. Распределение и величина напряжений в кристаллах определяютсяизмерением положений интерференционных полос в картинах двойноголучепреломления, которые определяются изменением оптической длины пути для

/> <td/> />
обыкновенного и необыкновенногопучков зависимостью:

где nо и nе – показатели преломления дляобыкновенного и необыкновенного пучков; la – длина активного тела; mи – порядок интерференции.

/> <td/> />
Величина напряжения x определяется следующей зависимостью:

где Вф — постояннаяфотоупругости.

Величины напряжений, получаемые прииспользовании усредненного значения постоянной фотоупругости Вф=0,9*10-7см2/кг, равны: x=100 кг/см2 для образцовнизкого качества. Параметры внутренних напряжений в рубиновых стержнях являютсяудовлетворительным критерием при отборе образцов для одномодовой (ТЕМоо)генерации. Образцы высокого качества (x<30кг/см2) обеспечивают генерацию одной поперечной моды в достаточношироком диапазоне накачки.

Величина механических напряжений врубине зависит от плотности дислокации и их расположения в объеме. Дислокации иих скопления образовываются не только в процессе роста, но и при механическойобработке кристалла. Механические напряжения вызывают двойное лучепреломление,и кристалл рубина становится двуосным. Неоднородность напряжений в кристаллевызывает дополнительное искажение сферической волновой поверхности.

Количественный и качественныйхарактер дефектов достаточно индивидуален и может заметно изменяться дляразных образцов.

Одним из факторов, ограничивающихэнергетические параметры лазера, является стойкость рубина к воздействиюмощного излучения, при определенных плотностях которого начинается разрушениеторцов или объема материала. Под действием лазерного излучения большоймощности в первую очередь разрушаются торцевые поверхности рубина. Разрушениеторцевых поверхностей можно объяснить на основе механизма теплового разрушенияпри поглощении света на локальных поверхностных дефектах, например,микротрещинах, границах между блоками и т. п. В результате поглощения светаповерхностными дефектами происходит их быстрое нагревание до температуры, прикоторой имеют место необратимые изменения (оплавление, трещины и т.п.). Порогповерхностного разрушения рубина зависит от длительности светового импульса, отдефектов и структуры поверхности торца.

/>Плотность пороговой мощностиразрушения поверхности для рубиновых образцов с монокристаллической структуройповерхности в несколько раз выше. чем для рубинов с аморфной структуройповерхности. Тщательно полированная поверхность имеет более высокуюповерхностную стойкость. Вдиапазоне коротких импульсов пороговая мощность поверхностного разрушения Pпор – пропорциональна 1/tимп, где tимп – длительность импульса.

График, представленный на рис.1,показывает, что для длинных импульсов пороговая мощность не меняется и независит от tимп. В области длинных импульсовпороговая величина поверхностного разрушения составляет примерно 106вт/см2. Для коротких импульсов длительностью около 50 нс этавеличина будет примерно равна 280 МВт/см2.

Объемная прочность рубина значительновыше поверхностной и составляет величину 3 •1010 вт/см2.

Работа рубинового ОКГ.

Рубин — кристаллический минерал,имеющий окраску от бледно-розовой до ярко-красной; структура рубина — кристаллическая решетка Al2O3 с внедренными в нее трехзаряднымиионами хрома. Содёржание хрома обычно колеблется в пределах от 0,05 до 0,5%.Цвет кристалла определяется содержанием хрома — чем больше хрома, тем болеекрасный оттенок имеет рубин.

К кристаллам рубина, используемым втехнике ОКГ, предъявляются очень жесткие требования по размерам и оптическойоднородности, поэтому технология выращивания кристаллов рубина для ОКГпретерпела существенное совершенствование.

/> <td/> />
В рубиновом ОКГ кристаллическаярешетка Al2O3является матрицей, аионы хрома — активатором. Электронная конфигурация основного состояниятрехзарядного иона хрома — 3d3.Вследствие взаимодействий между ионами кристаллической решетки основное состояниеасщеплено на ряд уровней. Схема нижних энергетических уровней приведена нарис.2.

Два близко расположенных уровня 2-метастабильные долгоживущиесостояния. Два широких уровня 3 соответствуют состояниям с малымвременем жизни, причем наиболее вероятен спонтанный переход 3®2. Этот переход безызлучательный — избыток внутренней энергиииона переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Инверсное заселение состоянийпроисходит по трехуровневой схеме рис.3 и рис.4.

Излучение накачки поглощается в криcталле на переходах 1®3. Спектр поглощения рубина соответствует раздвоенной структуресостояния 3. Он cодержит двеширокие (Dl=1000 Ангстрем)полосы поглощения, максимумы которых приходятся на зеленую и фиолетовую областиспектра. Спектр поглощения рубина представлен на рис.5, где две зависимостисоответствуют двум ориентациям падающего излучения относительно оптической осикристалла.

В результате поглощения излучениянакачки ионы хрома переходят в одно из состояний 3. За счет спонтанногобезызлучательного распада этих состояний ионы оказываются в метастабильныхсостояниях 2. Поскольку в данном случае выполняется условие g32>g21, населенность состояний 2 присоответствующей плотности накачки может превысить населенность невозбужденногосостояния и на переходах 2®1 возникаетгенерация.

В рубиновом ОКГ генерация осуществляетсяна двух линиях (в соответствии с расщеплением состояния 2), которые обычнообозначают R1и R2. Длина волны этих линий зависит оттемпературы кристалла, так как температура изменяет характер внутрирешеточногорасщепления основного ионного состояния. Зависимость длины волны генерации оттемпературы кристалла является специфической особенностью твердотельных ОКГ.Значения длины волны генерации на рубине при />комнатной и азотной температурахприведены в табл.2.

Таблица 2.

Генерация на рубине в настоящее времяреализуется как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Для импульсногорежима характерны миллисекундные импульсы генерации, в.этом случаеиспользуются импульсные ксеноновые лампы. Пороговая энергия накачки зависит привыбранной лампе от объема и температуры кристалла, а также от конструкциисистемы накачки. Используются кристаллы диаметром от 12—15 мм и длинойдо 15—20 см.

Обычно уровень пороговой энергии длярубина составляет сотни джоулей. С ростом энергии накачки растет и энергия вимпульсе лазерного излучения. Теоретическую зависимость энергии генерации отэнергии накачки можно представить, используя проведенный выше анализ работытрехуровневой схемы. Энергия в импульсе лазерного излучения сначала возрастаетлинейно с ростом энергии накачки, а затем насыщается.

/> <td/> />
На рис.6 показаныэкспериментальные точки этой зависимости и сплошной линией — теоретическаязависимость.

Энергия генерации у наиболее мощныхрубиновых ОКГ достигает десяти джоулей. Если учесть, что длительность импульса ~10 мсек, то средняя мощность в импульсе генерациисоставит ~1кВт. Коэффициентполезного действия рубиновых ОКГ не превышает 1 %.

В последнее время появились работы, вкоторых описывается генерация на рубине в непрерывном режиме.

Для этого используются кристаллыотносительно небольшого размера и, как правило, система охлаждения. Пороговаямощность накачки даже для малых кристаллов достигает 1000 Вт. Этавеличина существенно зависит от выбора лампы накачки и конструкции системынакачки. Мощность, генерируемая рубиновым ОКГ в непрерывном режиме,— порядкасотни милливатт.

Для улучшения эффективностисистем накачки в ряде случаев используются модифицированные конструкцииактивного элемента.

Концентрация излучения в образцеприводит к неполному использованию активной среды и к снижению эффективностисистемы накачки. Чтобы устранить вредное влияние концентрации излучениянакачки, стержень активного элемента рубинового ОКГ делают составным.Внутренняя часть стержня представляет собой рубин, а внешняя оболочка — сапфир,т. е. неактивированную решетку Al2O3. Сапфир обладает тем же показателем преломления, поэтомуграница раздела рубин — сапфир не искажает хода лучей.

Тогда все лучи, падающие наповерхность образца, пройдут сквозь рубин.

Вместо сапфировой оболочки для тех жецелей могут-использоваться иммерсионные жидкости. В этом случае одновременнорешается проблема охлаждения.

Иммерсионная жидкость должна иметь показатель преломления,близкий к показателю преломления рубина (n = 1,76). В качестве иммерсионныхжидкостей применяется раствор SnCl2*2H2O в глицерине (n = 1,76) и водный раствор SnCl2*2H2O (n = 1,6).

Другое усовершенствование формы кристалларубина используется при накачке в оптических и солнечных печах, когда излучениенакачки удобнее вводить в кристалл через торцевую поверхность. В этом случае навходном торце наращивают сапфировый конус, как показано на рис.7. Это приводитк увеличению эффективности системы накачки.

Осветители.

В твёрдотельных ОКГ дляполучения инверсной населённости применяется оптическая накачка с помощьюимпульсных ламп или ламп непрерывного горения. Для повышения эффективностинакачки лампу и активное тело размещают в осветителе, представляющем собой, какправило, замкнутую оптическую систему, в которой излучаемая лампой световаяэнергия специальными отражателями направляется на активное тело.

Концентрация световойэнергии осветителем осуществляется далеко не идеально. Наряду с низкойэффективностью превращения электрической энергии в световую (35-50%) и неполнымиспользованием поглощенной активным телом энергии (6-15%), потери в осветителе(30-70%) являются одним из основных факторов, определяющих к.п.д. твёрдотельныхлазеров(0.1-5%).

Выбор типа осветителязависит от требований, предъявляемых к лазеру в каждом конкретном случае.Например, в одномодовом генераторе, предъявляются повышенные требования кравномерности и симметрии в распределении энергии накачки по сечению активноготела. В других случаях основным требованием является максимальная эффективностьсветопередачи. В установках с большой выходной энергией используютсямноголамповые осветители, которые при сравнительно невысокой своейэффективности обеспечивают наибольшую величину светового потока. Некоторыенаиболее употребимые типы осветителей представлены на рис.8.