Квантовая и оптическая электроника

121

7.ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Широкое применение квантовых приборов в различных областях науки и техники обусловлено получением больших мощностей и узкого спектра излучения генераторов. Следствием этого является возможность остронаправленной передачи электромагнитной энергии, концентрации ее в малых объемах, эффективное использование в системах передачи, приема, хранения и обработки большого объем информации.

Рассмотрим основные типы оптических квантовых генераторов: 1) газовые; 2) твердотельные; 3) полупроводниковые; 4) жидкостные.

7.1 Газовые оптические квантовые генераторы

Газовые оптические квантовые генераторы (ОКГ) выделяются среди остальных типов ОКГ способностью работы в широком спектральном диапазоне длин волн (от субмиллиметрового диапазона до ультрафиолетового).

Газовыми называются генераторы, в которых активная среда находится в газовой фазе. В газовых средах инверсия возникает на возбужденных состояниях изолированных атомов, ионов или молекул. В этих условиях взаимодействие между частицами среды минимально, поэтому линии спонтанного излучения очень узки (10–3 –10 –2 А). Ширина линии генерации газового ОКГ минимальна среди всех видов ОКГ, она достигает 1 Гц.

Среди различных типов газовых ОКГ всегда можно найти такой ОКГ, обладающий, по крайней мере, одним из следующих свойств: высокой степенью монохроматичности колебаний (до 10– 14), большими КПД до (50%), предельными значениями мощности излучения в непрерывном режиме (до сотен киловатт). Газовая среда обладает гораздо большей оптической однородностью, поэтому в газовых ОКГ можно получить наименьший угол расхож-

дения пучка. Угловая ширина пучка имеет порядок 11.

Особенности устройства газовых ОКГ. Основным элемен-

122

цевые окна. При этом появляются потери на выходе из газовой кюветы, которые при нормальном падении лучей составляют 10–13 %. Такие потери снижают добротность резонатора и делают невозможной генерацию на большинстве переходов в газовых средах. В использовании угла Брюстера, заключается идея уменьшения потерь на торцах. Но уменьшение потерь не сводится до нуля, кроме того, имеются потери на поглощение в материале

(2 % на 1 см для стекла, 0,2 % на 1 см для кварца).

Элементарные процессы в плазме. Разряд в плазме имеет 3

характерные области: прикатодную, промежуточную, прианодную. В технике ОКГ обычно используется промежуточная часть разряда — положительный столб (протяженная часть, однороден по длине, длину столба легко регулировать).

В плазме положительного столба присутствуют:

1)нейтральные невозбужденные атомы и молекулы;

2)возбужденные атомы и молекулы;

3)невозбужденные (положительные и отрицательные ионы);

4)возбужденные (положительные и отрицательные ионы);

5)электроны.

Концентрации отрицательно (электроны и ионы) и положительно (ионы) заряженных частиц равны, что и создает электрическую нейтральность плазмы в целом.

Средняя энергия движения частиц плазмы превышает величину, регламентируемую окружающей температурой, т.о., частицы получают дополнительную энергию от электрического поля. В процессе своего движения частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваются энергией, в результате чего и происходит возбуждение и ионизация атомов и молекул.

Под взаимодействием двух частиц понимается любое вынужденное изменение характеристик их движения или внутреннего состояния.

При этом, если рассматривать процесс взаимодействия частиц АÛВ в бесконечно тонком слое dz, можно сделать вывод, что взаимодействие тем вероятнее, чем больше концентрация частиц

Б в слое aАБ= gАБ × nБ, где nБ — число частиц в Б слое; aАБ — коэффициент процесса, показывающий сколько актов данного процесса

АÛВ приходится в среднем на одну частицу А при прохождении

123

потоком частиц единичного слоя плазмы (см –1 ); gАБ — эффективное поперечное сечение данного процесса (10–19 ¸10–20 см2), вместо

gАБ вводится QАБ — полное сечение процесса, т.е. QАБ = =gАБ × NC, где NC — концентрация взаимодействующих частиц С.

Например: QАБ = 3,55 1016× gАБ (см 2¸см –3 ).

Элементарные процессы в плазме характеризуются скоростью процесса

где v АБ — средняя скорость движения частиц А относительно частиц Б, которая определяется как число актов процесса, происходящих в единицу времени в единице объема.

Все процессы взаимодействия между частицами в плазме разряда делятся на 2 группы: упругие и неупругие.

Если кинетическая энергия системы убывает, то внутренняя энергия частицы убывает, такой процесс называется неупругим взаимодействием первого рода.

Упругое взаимодействие (второго рода) между частицами плазмы часто называют рассеянием частиц, т.к. в результате упругих процессов направленное движение пучка превращается в хаотическое.

Для легких электронов характерны неупругие процессы. При Максвелловском распределении (рис. 7.1) средняя кинетическая энергия хаотического движения частиц определяется их температурой. Когда разряда нет, ки-

нетическая энергия определяется окружающей температурой. В условиях разряда заряженные частицы приобретают дополнительную энергию, ускоряясь в электрическом поле.

Компоненты плазмы характеризуются следующими температурами Te >> Ti > Ta, где e — электрон; i — ион; a — атом.

Некоторые неупругие процессы. Процессы первого рода:

124

1)e + A = e + A* прямое электрическое возбуждение;

2)e + A* = e + A** ступенчатое электрическое возбуждение; эти процессы приводят к образованию возбужденных атомов, следовательно, к свечению плазмы;

3)e + A = re + A* ионизация атома (источник заряженных частиц) из-за наличия электронов с большой энергией.

Соударения второго рода: 4) e + A*= e + A.

Этот процесс наряду со спонтанными переходами является основным, разрушающим возбужденные состояния.

В механизме создания инверсии в газовом ОКГ играет боль-

шую роль передача возбуждения в смеси газов

А*1 + А2 = А1 + А2*.

Вгазовых ОКГ существует следующая классификация видов газового разряда: непрерывный (тлеющий, дуговой); импульсный.

Для импульсного разряда существенен интервал между импульсами тока. Этот период больше характерного времени рассеяния рабочих состояний в плазме. В противном случае рабочие со-

стояния активных частиц не успевают довозбудиться за период отсутствия тока. Плотность тока в импульсе 103 А/см2. Стацио-

нарный разряд делится на тлеющий и дуговой. Плотность тока для тлеющего разряда 10–5 –10 –1 А/см2. В технике ОКГ используются две разновидности тлеющего разряда: разряд постоянного тока и высокочастотный разряд.

Вразряде постоянного тока через плазму протекает ток, не меняющийся во времени. Электроды располагаются внутри трубки. К ним приводится постоянное напряжение 1–2 кВ.

Высокочастотный разряд отличается тем, что в этом случае через плазму течет высокочастотный (10–50 МГц) ток.

Среди различных методов создания инверсии населенностей лазерных уровней преобладают пять, которые и определяют соответствующие разновидности ОКГ: газоразрядные, газодинамиче-

ские, плазмодинамические, химические и электроионизационные. Газоразрядные ОКГ. По механизму образования инверсии

населенностей лазерных уровней, диапазону работы и рабочим характеристикам газоразрядные лазеры разделяются на три группы:

1. Атомарные ОКГ.

125

2.Ионные ОКГ.

3.Молекулярные ОКГ.

1. Атомарные ОКГ. В атомарных лазерах переходы происходят между уровнями энергии нейтральных атомов, что соответствует генерации главным образом в инфракрасном диапазоне волн. Структура лазерных энергетических уровней не позволяет получить η > 10%. Такие лазеры являются маломощными генераторами. Выходная мощность в непрерывном режиме составляет 0,001–0,01 Вт. Газовая среда находится при низких давлениях (около 200 Па) и обладает высокой оптической однородностью, что позволяет получать излучение с более высокой степенью пространственной и временной когерентности, лучшей воспроизводимостью частоты, чем в лазерах других типов.

Активной средой лазеров чаще всего служат благородные газы (гелий, неон, аргон и др.) и их смеси или пары твердых веществ (меди, свинца, марганца и др.), наибольшее распространение получили гелий-неоновые лазеры. Гелий-неоновый лазер (He-Ne). В качестве вспомогательного газа у He-Ne лазера служат атомы гелия (He), рабочим является неон (Ne). Схема совмещенных энергетических уровней гелий-неонового лазера изображена на рис. 7.2.

Инверсия населенностей в He-Ne ОКГ создается в два этапа: 1. Происходит заселение состояний 21S0 и 23S1 гелия в ре-

2. Вследствие неупругих соударений второго рода между возбужденными состояниями атома гелия и атома неона, находящихся в основном состоянии, осуществляется возбуждение Ne по реакциям:

в состояниях (2S1) и (3S2).

127

Малый коэффициент усиления активной среды налагает жесткие требования на точность юстировки зеркал резонатора. Так, в случае резонатора с плоскими зеркалами, непараллельность их всего на несколько угловых секунд существенно сказывается на выходной мощности. Резонаторы со сферическими зеркалами мень-ше зависят от юстировки. Обычно поворот сферических зеркал от оптимального положения в пределах нескольких угловых минут мало влияет на выходную мощность ОКГ. Поэтому чаще всего используются резонаторы со сферическими зеркалами.

Напряжение питания для постоянного тока зависит от разрядного промежутка и имеет величину от нескольких сотен вольт до 2–3 кВ, ток разряда — несколько миллиампер. ВЧ-разряд возбуждается ВЧ генератором мощностью от десятков до сотен ВТ.

Мощность генерации зависит от парциальных давлений He и Ne, размеров разрядной трубки, от тока разряда.

Выбор оптимального диаметра трубки является важным для получения максимальной Pвых. Если диаметр трубки велик, то мала диффузия частиц с уровня 1S на S0. В результате на уровне 1S скапливаются частицы и затем переходят на 2р и 3р, уменьшая инверсию населенностей для трубок. Уменьшение диаметра газоразрядной трубки способствует получению более высоких коэффициентов усиления, но уменьшение объема активной среды приводит к снижению мощности излучения.

В He и Ne лазерах реализуются малые мощности излучения до 0,1 Вт в непрерывном режиме на трех наиболее сильных переходах с длинами волн λ1= 3,392 мкм; λ2 = 0,6328 мкм и λЗ= 1,153 мкм. Использование селективных резонаторов позволяет осуществлять работу на одной длине волны излучения в одномодовом режиме. При этом может быть достигнута расходимость излучения, близкая к дифракционному пределу. Стабилизация параметров резонатора и активной среды гелий-неоновых лазеров повышает стабильность и воспроизводимость частоты.

C увеличением тока (I) разряда увеличивается концентрация электронов ( e ) в плазме и увеличивается населенность всех возбужденных состояний атомов He и Ne, особенно 2S2 и 3S2, поэтому увеличивается Рвых. По мере дальнейшего увеличения тока раз-

128

ряда рост инверсии из-за интенсивности заселения 2р и 3р уровней начинает замедляться.

При токе разряда > 100 мA концентрация атомов неона в долгоживущем метастабильном состоянии 1S становится настолько высокой, что резко увеличивается заселение 2р и 3р уровней и

квантовой эффективности рабочих переходов атомов Ne и несовершенства процесса возбуждения их.

Соотношение (7.6) показывает, какая доля затраченной энер-

гии на возбуждение частиц переходит в энергию генерации. Устройство He-Ne лазера показано на рис. 7.3, где под циф-

рами введены следующие обозначения: 1 — катод, 2 — анод, 3 — зеркала, 4 — газоразрядная трубка.

– +

Рис. 7.3

Газоразрядная камера (4) представляет собой кварцевую или стеклянную трубку (L = 2 дм — 2 м и диаметром до 5–8 мм) с торцов закрытую плоскопараллельными оптическими стеклами, наклеенными под углом Брюстера к оптической оси резонатора оси. Такие окна имеют пренебрежимо малые потери энергии на отражение для волны, поляризацию в плоскости падения и прак-

129

тически делают невозможной генерацию излучения и поляризацию в перпендикулярной плоскости. Гелий-неоновые лазеры обеспечивают высокую степень поляризации излучения.

Иногда зеркала укрепляют на концах газоразрядной трубки. Однако такое расположение зеркал усложняет конструкцию.

Газоразрядная трубка наполняется смесью гелия и неона с общим давлением примерно 100 Па. Для очистки газовой смеси во время работы вводят геттер (барий).

Усиление активной среды в He–Ne ОКГ невелико и составляет 4% на метр для 3S2 → 2P λ = 0,63мкм, 12 % на метр для 2S2 → 2P λ = 1,152 мкм, поэтому 31и 32 делают 100 % (зеркала с интерфереционным покрытием).

Малый коэффициент усиления активной среды налагает жесткие требования на точность юстировки зеркал резонатора. Для возбуждения газовой смеси используют либо разряд на постоянном токе, либо ВЧ-разряд.

Напряжение питания для постоянного тока зависит от раз-

Выбор оптимального диаметра трубки является важным для получения максимальной Pвых. Например, при L = 1 м выбирается диаметр трубки опт = 7–8 мм, при L < 1м — опт = 3–5 мм.

C увеличением I разряда увеличивается концентрация e в плазме и увеличивается населенность всех возбужденных состояний атомов He и Ne, особенно 2S2 и 3S2, поэтому увеличивается

Коэффициент полезного действия квантовой эффективности (ηкван. эф) — составляет сотые доли процента из-за малой квантовой эффективности рабочих переходов атомов Ne и несовершенства процесса возбуждения их.

Например: для атома Ne энергия верхнего рабочего уровня составляет 20 эВ, а энергия фотона частиц с λ = 0,63 мкм равна 2 эВ. Поэтому, используя (7.6), получим ηкв.эф. ≈ 10 %, т.о. В когерентное излучение преобразовано лишь 10 % общей энергии, сообщенной ему.

Так как в He-Ne плазме наиболее вероятная энергия e составляет 6–8 эВ, то для возбуждения верхнего рабочего уровня используется лишь небольшая часть энергии, затрачиваемой на поддержание газового разряда. Поэтому КПД He-Ne ОКГ значи-

тельно меньше ηкван. эф.

Спектр излучения He-Ne ОКГ состоит из отдельных линий, соответствующих продольным и поперечным типам колебаний используемого открытого резонатора. Общая ширина спектра генерации определяется шириной линии усиления активной среды ОКГ (см. рис. 7.6. Линия усиления ОКГ определяется эффектом Доплера. На рис. 7.6 введены обозначения:

1/τ — естественная ширина линии, обусловленная принципом неопределенности;