Физика /
←предыдущая следующая→
1 2 3 4 5 6 7
ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Успехи, достигнутые при разработке и исследовании кванто¬вых усилителей и генераторов в радиодиапазоне, послужили базой для реализации предложения об усилении и генерации света на ос¬нове индуцированного излучения и привели к созданию квантовых генераторов оптического диапазона. Оптические квантовые гене¬раторы (ОКГ) или лазеры являются единственными источниками мощ¬ного монохроматического света. Принцип усиления света с помощью атомных систем был впервые предложен в 1940 г. В.А. Фабри¬кантом. Однако обоснование возможности создания оптического квантового генератора было дано лишь в 1958 г. Ч. Таунсом и А. Шавловым на основе достижений разработок квантовых приборов в радиодиапазоне. Первый оптический квантовый генератор был ре¬ализован в I960 г. Это был ОКГ с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества. Создание инверсии населенностей в нем осу¬ществлялось методом трехуровневой накачки, применявшимся обыч¬но в парамагнитных квантовых усилителях.
В настоящее время разработано множество разнообразных оп¬тических квантовых генераторов, отличающихся рабочими вещест¬вами (в этом качестве используются кристаллы, стекла, пласт¬массы, жидкости, газы, полупроводники) и способами создания ин¬версии населенностей (оптическая накачка, разряд в газах, химические реакции и т.д.).
Излучение существующих оптических квантовых генераторов охватывает диапазон длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, примыкающей к миллиметровым вол¬нам. Аналогично квантовому генератору в радиодиапазоне оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: рабочего (активного) вещества, в котором тем или иным способом
создается инверсия населенностей, и резонансной системы (рис .62). В качестве последней в ОКГ используются открытые резонаторы ти¬па интерферометра Фабри - Перо, образуемые системой из двух зеркал, удаленных друг от друга.
Рабочее вещество осуще¬ствляет усиление оптического излучения благодаря индуциро¬ванному испусканию активных частиц. Резонансная система, вызывая многократное прохо¬ждение возникающего оптиче¬ского индуцированного излуче¬ния через активную среду, об¬условливает эффективное вза¬имодействие поля с ней. Если рассматривать ОКГ как автоколеба¬тельную систему, то резонатор обеспечивает положительную обрат¬ную связь в результате возвращения части распространяющегося между зеркалами излучения в активную среду. Дяя возникновения колебаний мощность в ОКГ, получаемая от активной среды, должна быть равна мощности потерь в резонаторе иди превышать ее. Это эквивалентно тому, что интенсивность волны генерации после про¬хождения через усиливающую среду, отражения от зеркал -/ и 2 , возвращения в исходное сечение должна оставаться неизменной или превышать первоначальное значение.
При прохождении через активную среду интенсивность волны 1^ изменяется по экспоненциальному закону (при пренебрежении насыщением) L, ° 1^ ежр [ (ос,^ - B())-C ] , а при отражении от зеркала она изменяется в г раз ( т - коэффициент . отражения зеркала), поэтому условие возникновения генерации можно запи¬сать как
где L - длина рабочей активной среды; r1 и r2 - коэффициенты отражения зеркал 1 и 2 ; - коэффициент усиления активной среды; 0 - постоянная затухания, учитывающая потери энергии в рабочем веществе в результате рассеяния на неоднородностях и дефектах.
I. Резонаторы оптических квантовых генераторов
Резонансные системы ОКГ, как отмечалось, представляют со¬бой открытые резонаторы. В настоящее время наиболее широко при¬меняются открытые резонаторы с плоскими и сферическими зерка¬лами. Характерная особенность открытых резонаторов - их геоме¬трические размеры во много раз превышают длину волны. Подобно объемным открытые резонаторы обладают набором собственных ти¬пов колебаний, характеризующихся определенным распределением поля в них и собственными частотами. Собственные типы колеба¬ний открытого резонатора представляют собой решения уравнений поля, удовлетворяющие граничным условиям на зеркалах.
Существует несколько методов расчета объемных резонаторов, позволяющих находить собственные типы колебаний. Строгая и наи¬более полная теория открытых резонаторов дана в работах Л.А.Вайв-штейна.* Наглядный метод расчета типов колебаний в открытых резонаторах развит в работе А.Фокса и Т.Ли.
(113)
В ней используется. численный расчет, моделирующий процесс установления типов ко¬лебаний в резонаторе в результате многократного отражения от зеркал. Первоначально задается произвольное распределение поля на поверхности одного из зеркал. Затем, применяя принцип Гюй¬генса, вычисляют распределение поля на поверхности другого зер¬кала. Подученное распределение принимают за исходное и вычис¬ление повторяется. После многократных отражений распределение амплитуды и фазы поля на поверхности зеркала стремится к ста¬ционарному значению, т.е. поле на каждом зеркале самовоспроиз¬водится в неизменном виде. Полученное распределение поля пред¬ставляет собой нормальный тип колебаний открытого резонатора.
Расчет А.Фокса и Т.Ли базируется на следующей формуле Кирх¬гофа, являющейся математическим выражением принципа Гюйгенса, которая позволяет находить поде в точке наблюдения А по задан¬ному полю на некоторой поверхности Sb
где Eb - поле в точке B на поверхности Sb; k- волновое чи¬сло ; R - расстояние между точками А и В ; Q - угол между ли¬нией, соединяющей точки А и В , и нормалью к поверхности Sb
(рис.63).
С увеличением числа проходов поде на зеркалах стремится к стационарному распределению, которое можно представить так:
где V(x,у) - функция распределения, зависящая от координат на поверхности зеркал, не меняющаяся от отражения к отражению;
у - комплексная постоянная, не зависящая от пространственных координат.
Подставив формулу (112) в выражение (III). получим инте¬гральное уравнение
Оно имеет решение лишь при определенных значениях [Гамма] =[гамма миним.] назы¬ваемых собственными значениями, Функции Vmn, удовлетворяющие интегральному уравнению, характеризуют структуру поля различ¬ных типов колебаний резонатора, которые называют поперечными колебаниями и обозначают как колебания типа ТЕМmn Символ ТЕM указывает на то, что водны внутри резонатора близки к попереч¬ным электромагнитным, т.е. не имеющим составляющих поля вдоль направления распространения волны. Индексы m и n обозначают число изменений направления поля вдоль сторон зеркала (для пря¬моугольных зеркал) или по углу и вдоль радиуса (для круглых зеркал). На рис.64 показана конфигурация электрического поля для простейших поперечных типов колебаний открытых резонаторов с круглыми зеркалами. Собственные типы колебаний открытых резо¬наторов характеризуются не только поперечник распределением поля, но и распределением его вдоль оси резонаторов, которое представляет собой стоячую волну и отличается числом полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Для учета этого в обозна¬чения типов колебаний вводится третий ивдекс а , характеризую¬щий число полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора.
Оптические квантовые генераторы на твердом теле
В оптических квантовых генераторах на твердом теле, или твердотельных ОКГ, в качестве активной усиливающей среды ис¬пользуются кристаллы или аморфные диэлектрики. Рабочими части¬цами, переходы меяду энергетическими состояниями которых опре¬деляют генерацию, как правило, являются ионы атомов переходных групп Периодической таблицы Менделеева, Наиболее часто используются ионы Na3+, Cr3+, Но3+, Pr3+ . Активные частицы состав¬ляют доли или единицы процента от общего числа атомов рабочей среды, так что они как бы образуют "раствор" слабой концентра¬ции и потому мало взаимодействуют друг с другом. Используемые энергетические уровни представляют собой уровни рабочих частиц, расщепленные и уширенные сильными неоднородными внутренними полями твердого вещества. В качестве основы активной усиливаю¬щей среды используются наиболее часто кристаллы корунда (Al2O3), иттриево-алюминиевого граната YAG (Y3Al5O12), разные марки стекол и т.д.
Инверсия населенностей в рабочем веществе твердотельных ОКГ создается методом, анало¬гичным используемому в парамаг¬нитных усилителях. Она осуще¬ствляется с помощью оптической накачки, т.е. воздействием на вещество светового излучения вы¬сокой интенсивности.
Как показывают исследова¬ния, большинство существующих в настоящее время активных сред, используемых- в твердотельных ОКГ, удовлетворительно описыва¬ются двумя основными идеализи¬рованными энергетическими схе¬мами: трех- и четырехуровневой (рис.71).
Рассмотрим вначале метод создания инверсии населенностей в средах, описываемых трехуровневой схемой (см.рис.71,а). В нормальном состоянии заселен лишь нижний основной уровень 1 (энер¬гетическое расстояние между уровнями значительно больше kT), так как переходы 1—>2, и 1—>3) принадлежат оптическому диапа¬зону. Переход между уровнями 2 и 1 является рабочим. Уровень 3 вспомогательный и используется для создания инверсии рабо¬чей пары уровней. Он в действительности занимает широкую поло¬су допустимых значений энергии, обусловленную взаимодействием рабочих частиц с внутрикристаллическими полями.
Для создания инверсии рабочее вещество облучают интенсив¬ным светом с частотным спектром, соответствующим переходу меж¬ду уровнями 1—>3. С уровня 3 атомы переходят на уровень 2, . Этот переход, как правило, является безизлучательным. Энергия при этом идет на нагревание рабочего тела. При достаточной ин¬тенсивности накачки на уровне
←предыдущая следующая→
1 2 3 4 5 6 7
|
|