Характеристики некоторых лазерных материалов, п рименяемых в твердотельных окг.

спектра излучения ксеноновой лампы, то можно заметить, что на спектр поглощения рубина приходится менее 30% полной световой энергии излучения лампы накачки.

Остальная энергия является бесполезной и даже вред­ной, поскольку она затрачивается на нагревание актив­ного элемента, оболочки лампы накачки и осветителя.

Отсюда вытекает важность соответствия спектра излучения источника накачки спектру поглощения активного тела.

Важными параметрами ламп накачки являются: предельная энергия вспышки, которую лампа может выдержать без разрушения оболочки, и постоянная величина, определяемая эмпирическим соотношением:

где C–емкость конденсатора, разряжающегося через лампу; U₀–рабочее напряжение лампы накачки; l–длина разрядной трубки лампы накачки; k– постоянная, зависящая от конструктивных особенностей лампы накачки.

26

У казанное соотношение показывает, что для каждой лампы накачки существует отдельный режим питания, характеризуемый произведением CU⁴₀, которое не должно превышать некоторой критической величины. При этих условиях увеличить предельную энергию вспышки лампы можно за счет увеличения длины лампы l или последовательного включения нескольких ламп. При этом придельная энергия возрастает значительно быстрее, чем увеличивается длина лампы. Предельная энергия может быть вычислена также из соотношения:

где d – внутренний диаметр лампы;

–длительность приложенного импульса,

определяемая индуктивностью L и емкостью C разрядного контура.

От отношения рабочей энергии Е вспышки к Е_пред существенно зависит срок службы ламп накачки. Так, при Е/Е_пред=1 число вспышек не превышает 10, при Е/Е_пред=0,5 это число увеличивается до 10²... 10³, а при Е/Е_пред=0,3 составляет уже 10⁴... 10⁵.

Из-за относительно малого коэффициента использо­вания световой энергии ксеноновых и криптоновых ламп накачки в настоящее время ведутся работы по созданию источников накачки другого типа, спектр излучения которых более, полно совпадает с полосами поглощения активных элементов.

Так, показано, что для увеличения эффективности ОКГ на рубине целесообразно использовать импульсные ртутные лампы.

При средней подводимой мощности 5... 6 кВт для ламп с размером разрядного промежут­ка 6x80 мм мощность излучения этих источников в об­ласти поглощения рубина в 1,5... 2 раза превышает мощность излучения ксеноновых ламп. Соответственно увеличивается и энергия излучения ОКГ.

Несмот­ря на разнообразие известных способов накачки, наибольшее практическое применение нашли системы накачки на 27

основе ламп импульсного и непрерывного действия.

Сопоставление спектров поглощения активных эле­ментов и спектральных характеристик излучения ламп накачки показывает, что коэффициент использования излучения импульсных ламп в ОКГ очень мал. Посколь­ку интенсивность возбуждения активаторов (хрома, нео­дима) зависит от плотности излучения источника накач­ки, необходимо обеспечить эффективную передачу энер­гии вспышки лампы накачки активному элементу ОКГ. Это достигается применением специальных осветителей или, как их в практике называют, отражателей. Основ­ное назначение этого элемента ОКГ состоит в фокуси­ровке излучения лампы на активном элементе. Для это­го внутренняя поверхность отражателя полируется и по­крывается отражающим материалом (серебром, золо­том). В прозрачных (кварцевых) отражателях исполь­зуются интерференционные покрытия, обеспечивающие селективное отражение только той доли света, которая находится в спектре поглощения активного элемента. Остальная часть света проходит через стенки отражате­ля, не отражаясь от них. Это позволяет уменьшить на­грев активного элемента и улучшить его генерационные характеристики. Лампа накачки и активный эле­мент помещаются в отражатель. В момент вспышки лам­пы накачки не поглощенная активным элементом часть света отражается стенками отражателя и снова направ­ляется на активный элемент. Таким образом за счет мно­гократного прохождения света через активный элемент интенсивность возбуждения активных частиц увеличива­ется.

При создании квантовых генераторов наиболее широ­кое применение находят отражатели (рис.2) цилиндрический, эллиптический и полиэллиптический. Цилиндри­ческий отражатель используется в случае, когда источни­ком возбуждения служат лампы накачки 2 в виде спира­ли (рис.2,а). Если в качестве источника используются стержневые лампы, то наиболее эффективным является применение отражателей с эллиптическим и полиэллипти­ческим сечением. В эллиптическом отражателе (рис.2,6)активный элемент располагается по одной

фокальной оси, а лампа накачки - по другой.

28

При та­ком расположении лампы и элемента большая часть све­тового потока лампы, отражаясь от эллиптической по­верхности отражателя, собирается в окрестности другой фокальной оси, где расположен активный элемент. Еще большая концентрация энергии на элементе получается в полиэллиптическом отражателе.

Рис. 2 Отражатели цилиндрические(а), эллиптические(б), полиэллиптические(в): 1 - активный элемент; 2 – лампа накачки;

3 – отражатель.

Многообразие оптических схем лазеров предусматривает применение различных оптических элементов, на которые в зависимости от их функционального назначения наносятся отражающие или просветляющие пленочные покрытия для различных длин волн (для создания таких применяются тонкие диэлектрические пленки). Достижения в области вакуумной техники и тонкопленочной технологии позволяют наносить на различные материалы однородные пленки заданной толщины.

Синтез сложных пленочных систем с заданными параметрами проводится с использованием вычислительных машин.

Критериями качества оптических пленочных материалов

29

являются: отсутствие потерь на рабочей длине волны; однородность на апертуре элемента; высокая адгезия и твердость и минимальные механические напряжения; химическая инвертность; устойчивость к воздействию лазерного излучения; отсутствие пористой структуры. Последнее требование связано с тем, что выделение паров воды из пор пленки в процессе нагрева или их поглощение при охлаждении приводит к обратимым изменениям оптической толщины покрытия, что в свою очередь сдвигает спектральные характеристики покрытий.

В настоящее время широкое распространение для создания диэлектрических пленок получили окислы SiO₂, Si₂O₃, Al₂O₃, MgO, ZrO₂, TiO_2, фториды MgF₂, ThF₄ и сульфид цинка ZnS отражающие покрытия образуются нечетным числом четвертьволновых пленок попеременно с высоким и низким показателями преломления.

Причем крайние пленки имеют большой показатель преломления. В видимой и ближней инфракрасной областях спектра используются следующие комбинации пленок: ZnS - ThF₂; TiO₂ - SiO₂; ZrO₂ - SiO₂.

Суммарные потери в диэлектрических отражающих покрытиях на поглощение и рассеяние составляют 0,1-0,2%.Наибольшей лучевой стойкостью к импульсному лазерному излучению обладают зеркала на основе Zr0₂ и SiO₂ (50-70 Дж/см² при Δt=10-15 нс), а наименьшей - покрытия на основе TiO₂ и SiO₂ (5-8Дж/см²). Причем во втором случае разброс по порогам разрушения для различных технологий и длин волн более значителен. Низкие пороги разрушения покрытий на основе слоев ТiO₂ и SiO₂ наблюдаются в области длин волн вблизи 0,532 мкм.

В основе действия просветляющих покрытий лежит принцип согласования по отражению, в силу которого с помощью промежуточного слоя с показателем преломления n₃= можно свести к минимуму потери на отражение от двух границ с показателями преломления п₁ и n₂.

При отклонении согласующего показателя преломления от идеального (п’₃) коэффициент отражения приблизительно

30

равен (n’₃—n₃)². Для двухслойного просветляющего покрытия минимальный коэффициент отражения.

[ (n₂n²₃—n²₄n₁)/( n₂n²₃+n²₄n₁) ],

где n₁—показатель преломления воздуха; n₃,n₄ - показатели преломления для диэлектрических слоев в порядке нанесения их на подложку. Зависимость минимального коэффициента отражения от длины волны излучения имеет U-образный вид и подобные просветления называются U-покрытиями. В ультрафиолетовой области спектра используются однослойные покрытия из MgF₂ или двухслойные U-покрытия из Аl₂O₃ и MgF₂.Что касается видимой и ближней инфракрасной областей спектра, то здесь применяются диэлектрические пленки из всех ранее перечисленных соединений. Так для просветления кристаллов LiNbO₃ и ВaNaNb₅O₁₅ используются диэлектрические пленки из ZnS и МgF₂ для λ≈1 мкм и четырехслойные покрытия из МgF₂, ZnO и SiO₂.Диэлектрические покрытия из SiO₂ являются одним из наиболее прочных покрытий, предохраняющих от механических воздействий. Однако покрытия из SiO₂ позволяют получать просветление не меньше 0,2%.