Реферат: Рубиновый оптический квантовый генератор

Содержание:

1. ОКГ на твёрдом теле………………………………………………….

2. Активный элемент рубинового ОКГ………………………………..

3. Работа рубинового ОКГ………………………………………………

4. Осветители…………………………………………………………….

5. Использованная литература………………………………………….

ОКГ натвёрдом теле.

Оптическимиквантовыми генераторами (ОКГ) на твердом теле называют такие оптические квантовыегенераторы, в которых в качестве активной усиливающей среды используетсякристаллический или аморфный диэлектрик. Примерами твердотельных ОКГ могутслужить широкоизвестные рубиновые ОКГ или генераторы на стекле. В этом случаеинверсия заселенности образуется на энергетических уровнях атомов и ионоввещества, находящегося в твердом агрегатном состоянии.

Прирассмотрении твердотельных ОКГ следует учитывать принципиальные особенноститаких приборов. Концентрация активных частиц в твердом материале (1017 — 1020 см~3) на несколько порядковпревышает концентрацию частиц в газовых средах. Поэтому в твердом теленаселенности энергетических уровней значительно больше. Естественно, что иабсолютная величина инверсии заселенностей может быть существенно больше, чемв газах. Отсюда понятно, что твердые активные среды должны характеризоватьсявысоким коэффициентом усиления. Это позволяет, во-первых, получать большие мощностигенерации и, во-вторых, добиваться генерации при малой длине активного слоя.

Твердоетело как оптическая среда обладает гораздо меньшей оптической однородностью посравнению с газами. Это приводит к возникновению объемных потерь на рассеяние,снижению добротности резонатора при значительной длине активного элемента.Поэтому нет смысла делать активные элементы большой длины. Активные элементытвердотельных ОКГ имеют длину не более 50—60 см для наиболее оптическиоднородных материалов. Оптическая неоднородность среды приводит к тому, чтосверхпороговая инверсия создается не по всему сечению активного элемента, а вопределенных узких каналах. Поэтому угол расхождения пучка генерируемогоизлучения, оцениваемый даже из дифракционных соображений, оказываетсязначительным. В твердотельных ОКГ угол расхождения измеряется десятками минут.

В твердомтеле взаимодействие между частицами существенно искажает структуруэнергетических уровней. Как правило, энергетические уровни частиц твердого телаимеют большую ширину. Линии спонтанного излучения (флюоресценции) и генерациирасплываются в широкие спектральные полосы. Для спонтанного излучения характернаширина полосы в несколько ангстрем (кристаллы) или в несколько десятковангстрем (стёкла). Ширина линии генерации составляет в лучшем случае долиангстрема.

Способсоздания инверсии в твердотельных ОКГ принципиально отличается от накачки вгазовых и полупроводниковых ОКГ, он не может быть связан с прохождениемэлектрического тока через твердый диэлектрик. Для твердотельных ОКГ характернатак называемая оптическая накачка. При оптической накачке заселениевозбужденных состояний достигается путем интенсивного облучения активногоматериала излучением внешнего источника. Специально подобранный спектральныйсостав этого излучения или определенное соотношение между вероятностями соответствующихпереходов приводит к преимущественному заселению верхнего рабочего состояния ивозникновению инверсии.

Активный элементрубинового ОКГ.

Первымоптическим квантовым генератором был генератор, в котором в качестве активногоэлемента использовался искусственный кристалл рубина. Рубиновый ОКГ и в настоящее время является одним из наиболеераспространенных.

Промышленностьювыпускаются активные элементы из синтетического рубина, техническиетребования и размеры которых установлены стандартами: ОСТ3-24—70 и ОСТ3-25—70.

Всоответствии с этими стандартами рубиновые элементы могут иметь конфигурацию,представленную в табл. 1.

Обозначениерубинового элемента состоит из указания типа (табл.1.) и его размеров, например РЛ1Б10х120. Выпускаются рубины диаметром от3,5 до16 мм и длиной от45 до240мм с ориентацией оптической оси в пределах от60до90°. Боковая поверхностьобрабатывается одним из следующих способов: шлифовкой в пределах5—10 классов чистоты, механическойполировкой, при которой достигается чистота поверхности не ниже 12-го класса,а также химической или шероховатой полировкой. Диаметр активного тела примеханической полировке обрабатывается по скользящей посадке 4-го класса; привсех других видах обработки обеспечивается скользящая посадка5 класса точности. Непараллельность торцов уэлементов типа Р, РЛ, РЛ2Б не превышает 10".

Активныетела из рубина нашли широкое применение в лазерной технике благодаря тому, чторубин генерирует излучение в видимой области спектра, может работать прикомнатной температуре, имеет высокую механическую прочность и порог разрушения.Однако кристаллы рубина обладают обычно значительной оптической неоднородностью.Источниками этой неоднородности являются дефекты кристаллической решетки(дислокации, блоки, плоскости скольжения, инородные включения, неравномерноераспределение ионов хрома в образце). Наличие дефектов в кристаллах вызываетпоявление в них внутренних напряжений. Неравномерное распределение в объемекристалла ионов трехвалентного хрома вызывает значительную неоднородностьпоказателя преломления и появление деформации решетки, что вызывает аномальноедвулучепреломление.

На угловуюрасходимость и деформацию волнового фронта наибольшее влияние оказываютмеханические напряжения и неравномерность концентрации хрома по сечению. Существующая в настоящее время технологиявыращивания рубинов не обеспечивает равномерное распределение хрома впоперечном сечении образца. Центральная часть образца имеет меньшуюконцентрацию хрома и, следовательно, меньший, чем на периферии образца,коэффициент преломления п. Крометого, может иметь место скачкообразное изменение показателя преломления награницах некоторых участков кристалла. В результате роста в кристалле возникаюти внутренние деформации. Все это приводит к тому, что образец со взаимнопараллельными торцами в оптическом отношении эквивалентен рассеивающей линзе.Плоская волна, проходя через активную среду, из-за радиального измененияпоказателя преломления, вызываемого деформациями и неоднородностью концентрацийхрома, в значительной степени искажается. Это приводит к повышеннойрасходимости лазерного луча и неоднородному распределению энергии в нем. Врезультате исследований показано, в частности, что внутренние механическиедеформации образца оказывают наиболее сильное влияние на угловую расходимостьлуча, распределение интенсивности излучения и селекцию мод. Распределение ивеличина напряжений в кристаллах определяются измерением положенийинтерференционных полос в картинах двойного лучепреломления, которыеопределяются изменением оптической длины пути для <img src="/cache/referats/9285/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1027">
обыкновенногои необыкновенного пучков зависимостью:

где nо и nе – показатели преломления для обыкновенного инеобыкновенного пучков;la – длина активного тела;mи– порядок интерференции.

<img src="/cache/referats/9285/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1028">
Величинанапряжения x

определяется следующей зависимостью:

где Вф— постоянная фотоупругости.

Величинынапряжений, получаемые при использовании усредненного значения постояннойфотоупругости Вф=0,9*10-7 см2/кг, равны: x

=100 кг/см2 для образцов низкого качества. Параметрывнутренних напряжений в рубиновых стержнях являются удовлетворительным критериемпри отборе образцов для одномодовой (ТЕМоо) генерации. Образцы высокогокачества (x<30кг/см2) обеспечивают генерацию одной поперечноймоды в достаточно широком диапазоне накачки.

Величинамеханических напряжений в рубине зависит от плотности дислокации и их расположенияв объеме. Дислокации и их скопления образовываются не только в процессе роста,но и при механической обработке кристалла. Механические напряжения вызываютдвойное лучепреломление, и кристалл рубина становится двуосным. Неоднородность напряжений в кристаллевызывает дополнительное искажение сферической волновой поверхности.

Количественныйи качественный характер дефектов достаточно индивидуален и может заметноизменяться для разных образцов.

Одним изфакторов, ограничивающих энергетические параметры лазера, является стойкостьрубина к воздействию мощного излучения, при определенных плотностях которогоначинается разрушение торцов или объема материала. Под действием лазерногоизлучения большой мощности в первую очередь разрушаются торцевые поверхностирубина. Разрушение торцевых поверхностей можно объяснить на основе механизматеплового разрушения при поглощении света на локальных поверхностных дефектах,например, микротрещинах, границах между блоками и т. п. В результате поглощениясвета поверхностными дефектами происходит их быстрое нагревание до температуры,при которой имеют место необратимые изменения (оплавление, трещины и т.п.).Порог поверхностного разрушения рубина зависит от длительности световогоимпульса, от дефектов и структуры поверхности торца.

<img src="/cache/referats/9285/image010.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1029">Плотностьпороговой мощности разрушения поверхности для рубиновых образцов смонокристаллической структурой поверхности в несколько раз выше. чем длярубинов с аморфной структурой поверхности. Тщательно полированная поверхностьимеет более высокую поверхностную стойкость.Вдиапазоне коротких импульсов пороговая мощность поверхностного разрушения Pпор – пропорциональна 1/tимп, где tимп –длительность импульса.

График,представленный на рис.1, показывает, чтодля длинных импульсов пороговая мощность не меняется и не зависит от tимп. В области длинных импульсовпороговая величина поверхностного разрушения составляет примерно 106вт/см2. Для коротких импульсов длительностью около50 нс эта величина будет примерно равна280 МВт/см2.

Объемная прочностьрубина значительно выше поверхностной и составляет величину3 •1010 вт/см2.

Работарубинового ОКГ.

Рубин— кристаллический минерал, имеющий окраску отбледно-розовой до ярко-красной;структурарубина— кристаллическая решеткаAl2O3 с внедреннымив нее трехзарядными ионами хрома. Содёржание хрома обычно колеблется в пределахот0,05 до 0,5%. Цвет кристалла определяется содержанием хрома— чем больше хрома, тем более красный оттенокимеет рубин.

Ккристаллам рубина, используемым в технике ОКГ, предъявляются очень жесткиетребования по размерам и оптической однородности, поэтому технология выращиваниякристаллов рубина для ОКГ претерпела существенное совершенствование.

<img src="/cache/referats/9285/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1030">
Врубиновом ОКГ кристаллическая решеткаAl2O3является матрицей, а ионы хрома—активатором. Электронная конфигурация основного состояния трехзарядногоиона хрома— 3d3. Вследствиевзаимодействий между ионами кристаллической решетки основное состояниеасщеплено на ряд уровней. Схема нижних энергетических уровней приведена нарис.2.

Два близко расположенных уровня2-метастабильныедолгоживущие состояния. Два широких уровня3 соответствуют состояниям смалым временем жизни, причем наиболее вероятен спонтанный переход3®

2.Этотпереход безызлучательный— избытоквнутренней энергии иона переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Инверсноезаселение состояний происходит по трехуровневой схемерис.3 и рис.4.

Излучениенакачки поглощается в криcталле напереходах1®

3.Спектр поглощения рубина соответствует раздвоенной структуресостояния3. Он cодержит две широкие (Dl=1000 Ангстрем) полосы поглощения, максимумы которых приходятся на зеленуюи фиолетовую области спектра. Спектр поглощения рубина представлен на рис.5, где две зависимости соответствуют двумориентациям падающего излучения относительно оптической оси кристалла.

Врезультате поглощения излучения накачки ионы хрома переходят в одно изсостояний3. За счет спонтанногобезызлучательного распада этих состояний ионы оказываются в метастабильныхсостояниях2.Поскольку в данном случае выполняется условие g

32>g21,населенность состояний2 присоответствующей плотности накачки может превысить населенность невозбужденногосостояния и на переходах2®1возникает генерация.

В рубиновомОКГ генерация осуществляется на двух линиях (в соответствии с расщеплениемсостояния2), которые обычно обозначаютR1 иR2.Длинаволны этих линий зависит от температуры кристалла, так как температураизменяет характер внутрирешеточного расщепления основного ионного состояния. Зависимость длины волны генерации оттемпературы кристалла является специфической особенностью твердотельных ОКГ.Значения длины волны генерации на рубине при <img src="/cache/referats/9285/image020.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1035">комнатной иазотной температурах приведены в табл.2.

Таблица 2.

Генерацияна рубине в настоящее время реализуется как в импульсном, так и в непрерывномрежиме. Для импульсного режима характерны миллисекундные импульсы генерации, в.этом случае используются импульсные ксеноновые лампы. Пороговая энергиянакачки зависит при выбранной лампе от объема и температуры кристалла, а такжеот конструкции системы накачки. Используются кристаллы диаметром от12—15 мми длиной до15—20 см.

Обычноуровень пороговой энергии для рубина составляет сотни джоулей. С ростом энергиинакачки растет и энергия в импульсе лазерного излучения. Теоретическую зависимостьэнергии генерации от энергии накачки можно представить, используя проведенныйвыше анализ работы трехуровневой схемы. Энергия в импульсе лазерного излучениясначала возрастает линейно с ростом энергии накачки, а затем насыщается.

<img src="/cache/referats/9285/image022.gif" v:shapes="_x0000_s1036">
Нарис.6 показаны экспериментальные точкиэтой зависимостии сплошной линией — теоретическая зависимость.

Энергиягенерации у наиболее мощных рубиновых ОКГ достигает десяти джоулей. Еслиучесть, что длительность импульса~

10мсек, то средняямощность в импульсе генерации составит ~1кВт. Коэффициентполезного действия рубиновых ОКГ не превышает1%.

В последнеевремя появились работы, в которыхописывается генерация на рубине в непрерывном режиме.

Для этогоиспользуются кристаллы относительно небольшого размера и, как правило, системаохлаждения. Пороговая мощность накачки даже для малых кристаллов достигает1000 Вт.Эта величина существенно зависит от выбора лампы накачки и конструкции системынакачки. Мощность, генерируемая рубиновым ОКГ в непрерывном режиме,— порядка сотни милливатт.

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

Концентрацияизлучения в образце приводит к неполному использованию активной среды и кснижению эффективности системы накачки. Чтобы устранить вредное влияниеконцентрации излучения накачки, стержень активного элемента рубинового ОКГделают составным. Внутренняя часть стержня представляет собой рубин, а внешняяоболочка — сапфир, т. е. неактивированную решетку

Al2O3. Сапфир обладает тем жепоказателем преломления, поэтому граница раздела рубин — сапфир не искажаетхода лучей.

Тогдавсе лучи, падающие на поверхность образца, пройдут сквозь рубин.

Вместосапфировой оболочки для тех же целей могут-использоваться иммерсионные жидкости. В этом случае одновременно решается проблемаохлаждения.

Иммерсионная жидкость должна иметьпоказатель преломления, близкий к показателю преломления рубина (n = 1,76). В качестве иммерсионных жидкостейприменяется растворSnCl2*2H2Oв глицерине (n= 1,76)и водный растворSnCl2*2H2O(n= 1,6).

Другоеусовершенствование формы кристалла рубина используется при накачке в оптическихи солнечных печах, когда излучение накачки удобнее вводить в кристалл черезторцевую поверхность. В этом случае на входном торце наращивают сапфировыйконус, как показано на рис.7. Этоприводит к 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.

Использованная литература:

1.

Е.Ф.Ищенко, Ю.М.Климков. Оптические квантовыегенераторы.

М., Советское радио, 1968.

2. Б.Р.Белостоцкий, Ю.В.Любавский, В.М.Овчинников.

Основы лазерной техники. М., Советское радио,1972.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Усилители постоянного тока

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике