книги из ГПНТБ / Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие

Р а з д е л VI

КВАНТОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Постоянно растущий поток информации и развитие ин­ формационных радиоэлектронных систем (связи, телевиде­ ния, локации, навигации и др.) привели к необходимости ос­ воения оптического диапазона длин волн и, в частности, со­ здания мощных источников когерентного света в этом диапа­ зоне. Разработка таких приборов определялась следующими отличительными особенностями оптического диапазона от диапазона СВЧ:

— в соответствии с формулой Больцмана (8.4) населен­ ность верхних энергетических уровней в оптическом диапа­ зоне убывает гораздо быстрее,-чем в диапазоне СВЧ;

— вероятность спонтанного излучения в оптическом диа­ пазоне значительно больше, чем в диапазоне СВЧ: как сле­ дует из формулы (8.14) приблизительно в Ю12 раз.

Создание оптических квантовых генераторов (ОКБ) ста­ ло возможным лишь после того, как были осуществлены квантовые приборы СВЧ диапазона, разработаны методы оптического возбуждения атомов и рассмотрена возможность использования открытых резонаторов в качестве колебатель-'

ных систем оптического диапазона.

В настоящее время разработаны мощные ОКБ, обладаю­ щие высокой когерентностью, направленностью и моно­ хроматичностью излучения. Они могут быть разделены на разные группы по типу активного вещества (твердотельные, газовые, жидкостные), по режиму работы (непрерывного и импульсного режима), по виду выполняемых функций (гене­ раторы и усилители), по методу накачки, охлаждения и т. д.

Г л а в а 17

Оптические резонаторы

§17.1. Особенности конструкции оптических резонаторов.

Воптическом диапазоне невозможно использовать объемные резонаторы, подобные резонаторным системам СВЧ диапа­ зона, вследствие трудности изготовления их (когда размеры соизмеримы с длиной волны), резкого роста потерь на скинэффект и невозможности получения больших мощностей при малых размерах резонаторов. Кроме того, замкнутые резо­

нансные полости неудобны при возбуждении рабочего веще­ ства ОКБ. Поэтому для ОКБ применяются принципиально отличные открытые резонаторы, размеры которых велики по сравнению с длиной волны излучения. В качестве такого

130

резонатора может быть использован интерферометр Фабри — Перо, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал, нахо­

мя сферическими зеркалами, разнесенными на расстояние,

кратно проходит через активную среду, т. е. осуществление положительной обратной связи за счет возвращения части излучения обратно в активную среду (рис. 64). Действитель­ но, существование в какой-либо среде за счет энергии на-

сивности светового потока за счет многократного про­ хождения излучения через среду с отрицательным коэффи­ циентом поглощения посредством многократных отражений от зеркальных поверхностей резонатора; при этом мощность вынужденного излучения растет вследствие вовлечения все большего количества активных микрочастиц в процесс излу­ чения. Усиление возможно лишь до определенного уровня мощности, ограничиваемого эффектом насыщения рабочего перехода.

Следует отметить, что процесс генерации излучения в ОКГ, как и в любом автогенераторе, начинается с флюк­ туаций, возникающих в данном случае в результате спонтан­

ного излучения на частоте рабочего перехода. Существенно, что одновременно с усилением в рабочем веществе происхо­ дят и потери мощности. Потери могут быть связаны с ча­ стичной прозрачностью зеркал резонатора (одно или оба зеркала изготавливаются полупрозрачными для вывода по­

мощности вынужденного излучения над мощностью суммар­ ных потерь, включая и полезное излучение ОКГ. Обозначим через Г\ и г2— коэффициенты отражения от зеркал; очевидно, что величину потерь при отражении можно оценить произве­

ности излучения согласно (8.19) может быть охарактеризо­

вано величиной ет , где и — коэффициент усиления активной среды; цифра 2 в показателе степени в обоих случаях пока­ зывает, что за одно прохождение излучение успевает отра­ зиться один раз от каждого зеркала, т. е. за одно прохож­ дение считается проход в обе стороны. Обозначим, наконец, коэффициент дифракционных потерь при отражении свето­ вой волны от зеркала через ад и коэффициент потерь на тор­ цах рабочего вещества или окнах, ограничивающих активную среду, через схт. Учитывая принятые обозначения, условие самовозбуждения ОКГ можно записать следующим образом:

от зеркал и больше длина рабочего вещества.

Добротность оптического резонатора при малых дифрак­ ционных потерях приближенно может быть определена по

132

Открытый резонатор отличается более высокой добротно­ стью (Q ~ 1 0 6 -f-1 0 7) по сравнению с объемными резонато­ рами СВЧ (Q —103-=- 104).

§ 17.3. Типы колебаний. В результате отражения от зер­ кал и интерференции отраженных волн в оптическом резо­ наторе так же, как и в объемном резонаторе, образуются стоячие световые волны. Они устанавливаются лишь при условии, что на длине резонатора L укладывается целое чи­ сло полуволн, т. е.

волн, укладывающихся между зеркалами, и характеризую­ щее тип (моду) продольного колебания. Обычно </=105 —10б.

Отсюда следует, что каждому значению q соответствует своя частота резонанса. Расстояние между резонансными часто­ тами двух соседних типов продольных колебаний

для v и Av— (17.4) и (17.5) были записаны для полого резо­ натора, когда активная среда в нем отсутствует. Если резо­ натор заполнен средой с показателем преломления п, то за счет изменения длины волны излучения в среде по сравнению с длиной волны в вакууме в выражения (17.3) — (17.5) дол­ жна быть внесена поправка в виде дополнительного множи­ теля, равного п, в знаменателе правой части.

Помимо продольных колебаний в открытом резонаторе существуют поперечные, распространяющиеся под некото­ рым углом к оси резонатора.

,§ 17.4. Характеристики излучения ОКГ. Наличие боль­ шого числа резонансных частот оптического резонатора ве­ дет к тому, что ОКГ может одновременно генерировать коле­ бания на нескольких частотах. Однако возникают не все воз­ можные виды колебаний, а лишь те, частоты которых лежат в пределах ширины линии излучения рабочего вещества. Как показано в главе 1 0 , ширина линии излучения рабочего веще­ ства Av.i может быть по разным причинам значительно уве­ личена; при этом она оказывается больше полосы пропуска­

133

ния резонатора Avp, определяемой его добротностью, и рас­ стояния между соседними типами продольных колебаний Av. Более того, при работе ОКГ возбуждаются не все типы коле­ баний, а только те, для которых уровень накачки обеспечи­ вает компенсацию потерь; при этом наибольшее усиление имеет место в центре резонансного пика, вследствие чего ши­ рина линии генерации еще сильнее сужается. Так, при допп­ леровском уширении в газовых ОКГ Av:i^1000 МГц, тогда

В реальных условиях ширина линии генерации значительно больше теоретической. Спектр излучения ОКГ имеет вид, показанный на рис. 65. Как видно из рисунка, в пределах ширины линии излучения рабочего перехода размещается ряд резонансных линий для разных видов колебаний резо­ натора, в центре пиков которых располагаются чрезвычайно узкие линии генерации ОКГ. В рассмотренном случае гене­ рация на каждой из частот будет практически монохроматичной. Излучение в целом является немонохроматичным, од­ нако степень монохроматичности ОКГ намного выше любого другого источника света. Резонатор в значительной степени определяет также и такие свойства выходящего излучения, как когерентность, направленность и мощность. Высокая ко­ герентность излучения ОКГ обусловлена самим характером вынужденного излучения, когда частота, фаза, направление распространения и поляризация излучаемого кванта совпа­ дают с теми же параметрами кванта, вызвавшего излучение. Высокая степень направленности излучения ОКГ обеспечи­

134

вается конструкцией резонатора: поскольку размеры зеркал обычно невелики по сравнению с расстоянием между ними, выделяются колебания только того вида, направление рас­ пространения которых близко к оптической оси резонатора; остальные колебания уходят за пределы резонатора, не по­ лучив достаточного усиления. Отметим далее, что генерация излучения возникает лишь в том случае, когда потери энер­ гии в резонаторе меньше приращения энергии за счет вынуж­ денного излучения. В этом проявляется влияние резонатора на выходную мощность ОКГ.

Г л а в а 18

Оптические квантовые генераторы

§ 18.1. Твердотельные оптические квантовые генераторы.

Твердотельными ОКГ называют оптические квантовые гене­ раторы, в которых в качестве рабочего вещества использу­ ются кристаллические или аморфные диэлектрики. Первым ОКГ вообще и первым твердотельным в частности был рубиновый ОКГ. Рабочие вещества представляют собой твер­ дую основу (матрицу), в которую внедрены активные при­ меси. Матрицей служат такие материалы, как корунд AI2 O3 , флюорит CaF2 , шеелит CaW04, иттриевые гранаты, специаль­ ные сорта стекол и т. д. В качестве активной примеси ис­ пользуют некоторые элементы группы железа (хром Сг, ко­ бальт Со, никель №), группы редких земель (неодим Nd, самарий Sm, гадолиний Gd и т. п.) и группы актинидов (то­ рий Th, уран U). Важная особенность энергетического спек­ тра рабочего вещества при этом заключаётся в том, что за счет взаимодействия микрочастиц, влияния внутрикристаллических электрических полей и т. п. (главы 10 и 14), верх­ ние энергетические уровни представляют собой широкие по­ лосы, позволяющие поглощать излучение в широком интер­

вале частот.

Для создания инверсных состояний в твердотельных ОКГ применяется метод вспомогательного излучения в трех- и четырехуровневых системах (оптическая накачка). Наличие широких полос поглощения позволяет использовать для на­ качки немонохроматические источники света, такие, как газо­ светные лампы высокого и низягого давления, лампы накали­ вания, солнечный свет.

С целью повышения эффективности использования источ­ ников накачки их излучение концентрируют на рабочем веще­ стве с помощью различных отражателей. Часто в качестве

13 5

отражателей применяются эллиптические цилиндры, в одной фокальной линии которых помещается лампа накачки, а в другой — рабочее вещество.

Резонаторы твердотельных ОКГ образуются внешними зеркальными или торцевыми гранями рабочих стержней, на которые нанесены отражающие покрытия. Применяют как

посеребренные зеркала, так и зеркала с многослойными ди­ электрическими покрытиями; первые имеют коэффициент от­ ражения, приблизительно равный 95%, вторые — более 99%. Схематически устройство твердотельного ОКГ показано на

ставлена на рис,-67. Под воздействием оптической накачки ксеноновых ламп, значительная часть энергии излучения ко­ торых лежит в полосе поглощения рубина, происходят пере­ ходы 1—уЗ на волне 0,41 и 0,56. мкм (голубая и зеленая части видимого света); при этом энергетические полосы 3 заселя­ ются, однако время жизни вынужденных состояний невелико (порядка 1 0 ~ 7 с); поэтому микрочастицы быстро переходят на уровни 2. Переход 3->2 является безызлучательным, из­ быточная энергия расходуется на возбуждение тепловых

136

колебаний кристаллической решетки. Уровни 2 являются метастабильными (среднее время жизни составляет 1 0 ~ 3 с), в связи с чем населенность этих уровней может стать выше основного уровня 1. Полученная инверсная населенность на переходе при выполнении условий самовозбуждения ОКТ обеспечит генерацию колебаний. Следует отметить, что вероятность обратных переходов 3-+1 и спонтанных перехо­ дов 2 -W невелика. Вынужденное излучение возникает в красной части спектра на волнах 0,6929 и 0,6943 мкм. Не­ достатком рассмотренной трехуровневой системы является необходимость перевода более половины активных ионов в возбужденное состояние, поскольку инверсия осуществля­ ется относительно самого населенного, основного энергетиче­ ского уровня. Это требует больших затрат мощности накач­ ки. Более эффективными в этом отношении являются четырехуровневые системы (см. § 9.1), требующие на 2—3 по­ рядка меньшей мощности накачки. Инверсная населенность по такой схеме может быть создана при использовании в качестве рабочих веществ красного рубина, флюорита, сте­ кол, активированных ионами неодима, и т. д. Рубиновые ОКБ, как правило, работают в импульсном режиме с неболь­ шой частотой следования импульсов. Это связано с сильным нагревом рабочего вещества за счет неиспользуемой энергии лампы накачки, а также энергии, выделяющейся в процессе безызлучательных переходов. Наиболее мощные современ­ ные ОКГ на рубине генерируют излучение с энергией в не­ сколько сотен джоулей при длительности импульса 1 ч- 1 0 мс

ставляют ОКГ на стекле, активированном неодимом, и алюмо-иттриевом гранате, также активированном неодимом. Первые позволяют получить импульсную мощность порядка 1 МВт (энергия около 1000 Дж, длительность импульса 1мс)

в непрерывном режиме; при этом выходная мощность в не­ прерывном режиме достигает 1 кВт при КПД более 2%; им­ пульсная мощность в несколько сотен раз выше. Оба типа

1 3 7

показано ниже, практически это достигается модуляцией доб­ ротности оптического резонатора, при которой удается полу­ чить импульсы наносекундной длительности с пиковой мощ­ ностью до 1000 МВт.

§ 18.2. Газовые оптические квантовые генераторы. Газо­ вые ОКТ используют в качестве рабочего вещества газы или газовые смеси. Различают три типа газовых ОКГ: на нейт­ ральных атомах, ионные и молекулярные. Они отличаются друг от друга механизмом образования инверсии и диапазо­ нами генерируемых длин волн. Различие в диапазонах обу­ словлено разницей энергетических спектров атомов, ионов и

молекул (см. главу 6 ).

Для газовых систем характерно многообразие различных физических процессов, которые можно использовать для образования и разрушения возбужденных состояний. Так, на­ пример, возбужденные состояния, приводящие к получению инверсии уровней, образуются при неупругих столкновениях разных атомов, диссоциации молекул при столкновениях ато­ мов и молекул, возбуждении атомов электронными ударами и т. д. В большинстве случаев указанные процессы происхо­ дят в электрическом разряде в газах; разряд может быть тлеющим или дуговым, постоянного тока или высоко­

частотным.

Использование газообразного рабочего вещества приво­ дит к существенным отличиям газовых ОКГ от твеРД°тельных. Основное отличие заключается в малой плотности рабо­ чего вещества, вследствие чего энергетический спектр актив­ ных частиц практически не искажается воздействием полей соседних атомов, ионов, молекул. Поэтому рабочими уров­ нями в газе служат уровни почти изолированных микро­ частиц, а это значит, что энергетические уровни в спектре газов чрезвычайно узкие. Другой особенностью является высокая оптическая однородность газовой среды, в связи с чем световой луч в ней почти не рассеивается. Это позво­ ляет использовать большие расстояния между зеркалами резонатора. Поэтому излучение газовых ОКГ характеризу­ ется высокой монохроматичностью и направленностью. Од­ нако малая плотность рабочего вещества ограничивает воз­ можности получения больших импульсных мощностей излу­

дов возбуждения газов: электрический разряд, оптическая на­ качка и химические реакции.

Область длин волн, перекрываемая газовыми ОКГ, npoj стирается от ультрафиолетовой (Я~0 , 2 мкм) до далекой

138

инфракрасной части спектра (А~400 мкм). Газовые ОКТ по­ зволяют получить наиболее узкие линии генерации (около 1 Гц) и наименьшую расходимость луча (до Г) по сравнению с другими типами ОКГ; КПД у них может достигать не­ скольких десятков процентов.

Основным элементом ОКГ является стеклянная, кварце­ вая или металлокерамическая газоразрядная трубка с внут­ ренними (разряд постоянного тока) или наружными (высоко­ частотный разряд) электродами, помещенная между зерка­ лами оптического резонатора. Схематично устройство газо­ вого ОКГ показано на рис. 6 8 , где 1 и 5 — зеркала, образую­ щие резонатор; 2 и 6 — окна, закрывающие торцы газоразряд­ ной трубки; 3 — электроды; 4 — трубка; 7 — высокочастотный

Рис. 68

генератор. Окна представляют собой стеклянные или кварце­ вые плоскопараллельные пластинки, расположенные так, что угол между нормалью к ним и осью трубки равен углу Брю­ стера г0; угол i0 определяется соотношением: tg / 0 = n, где п — показатель преломления материала окна. При этом в со­ ответствии с законом Брюстера волна, плоскость поляриза­ ции которой совпадает с плоскостью падения, проходит через окна без потерь на отражение. Излучение с любой другой поляризацией имеет потери.

Генерация в ОКГ начинается со спонтанного излучения, которое не поляризовано, однако применение окон Брюстера создает благоприятные условия для прохождения излучения вполне определенной поляризации. Это излучение вызовет вынужденные переходы с той же поляризацией. Таким обра­ зом, в резонаторе устанавливается поляризация, соответст­ вующая расположению брюстеровских окон, для которой добротность резонатора оказывается наибольшей. Следова­

139