книги из ГПНТБ / Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник

ртутного столба. Магнитное поле создается с помощью соленоида., надетого на разрядную трубку.

Молекулярные газовые <ЖГ. Существенным недостатком ато­ марных и ионных ОКГ является их низкий к. п. д. Эта особенность объясняется тем, что используются уровни, расположенные далеко от основного уровня атомов и ионов. В возбуждении этих уровней участвует небольшая часть имеющихся в разряде электронов. Верхние уровни могут возбуждаться лишь быстрыми электронами, а их доля невелика. При разности энергии между основным и верх­ ним уровнями порядка 20 зВ к. п. д.

оказывается около 5%.

В молекуле, состоящей из несколь­ ких атомов, внутренняя энергия оп­ ределяется не только энергией элек­ тронов атомов, но и энергией колеба­ тельного движения атомов, которая квантуется и характеризуется своими уровнями.

уровней, а также энергетический колебательный уровень 6 моле­ кулы азота, который обычно добавляется в С02 для значительного увеличения мощности. Рабочими переходами в ОКГ на смеси С02 и N2 являются переходы 5—4 в С03 с длиной волны 10,6 мкм или 5—3 (Я = 9,6 мкм). Расстояние между верхним рабочим уров­ нем 5 и основным 1 равно 0,35 эВ.

Процесс создания инверсной населенности рабочего перехода происходит следующим образом. В разряде при неупругих соуда­ рениях с электронами возбуждаются молекулы С02 и N3. Не­ упругие удары электронов вызывают возбуждение колебательных уровней молекулы С02 и азота. Кроме того, имеются неупругие со­ ударения молекул N2 и С02, приводящие к возбуждению верхнего уровня 5. Эффективность возбуждения этого уровня велика, так как он расположен близко к уровню 6 N2. Уровни 6 и 5 имеют большое время жизни. Уровень 4 С02 имеет малое время жизни, так как на­ селенность этого уровня быстро уменьшается из-за безызлучатель­ ной передачи энергии вращательному движению (вращательным состояниям). Этот процесс называют вращательной релаксацией. Времена жизни более низких уровней 3 и 2 также малы, но вслед­ ствие колебательной релаксации. Таким образом, выполняются условия для получения инверсной населенности уровней 5 и 4.

Особенностью ОКГ на С02 является необходимость постоянного движения газа через газоразрядную трубку, так как число молекул

207

С 02 постоянно уменьшается в результате диссоциации на кислород и окись углерода: 2СОг-ѵ 2СО-,; 0 2. Если не восполнять убыль С02, мощность ОКГ через некоторое время заметно уменьшится.

Так же как и в других газовых ОКГ, зависимость мощности от тока разряда имеет максимум. В молекулярном ОКГ использу­ ется тлеющий разряд в трубках большой длины (1—5 м). Напря­ жение на разрядном промежутке достигает 10 кВ, а оптимальный — ток разряда составляет десятки и сотни миллиампер. Из-за особен­ ностей процесса получения инверсной населенности в ОКГ на С02 наблюдается в отличие от гелий-неонового ОКГ слабая зависимость выходной мощности от диаметра газоразрядной трубки. Диаметр трубок может быть увеличен до 10 см, что приводит к увеличению общего числа частиц в объеме и росту мощности. Однако дальней­ шее увеличение диаметра не имеет практического смысла, так как известно, что сечение разряда перестает увеличиваться. Большое сечение разряда и значительная длина трубок позволяют получать очень большие мощности. В отдельных ОКГ эта мощность в не­ прерывном режиме превышает 1 кВт при очень высоком по сравне­ нию с другими газовыми ОКГ к. п. д. (5—15%).

Достоинство ОКГ на С02 состоит еще и в том, что его излучение (А = 10,6 мкм) слабо поглощается в атмосфере.

Конструкции генератора на С02 и гелий-неонового ОКГ имеют много общего. Однако очень серьезные требования предъявляются к конструкции брюстеровских окон и зеркал, в которых может происходить значительное поглощение энергии в ИФ-диапазоне. Усложняет конструкцию и эксплуатацию молекулярных ОКГ не­ обходимость постоянной прокачки углекислого газа через трубку.

ОКГ с использованием фотодиссоциации молекул. Фотодиссо­ циация молекул — это разложение молекул под действием светя. При достаточно высокой энергии первичных фотонов один из атомов распавшейся молекулы может оказаться в возбужденном состоя­ нии, пригодном для получения инверсной населенности. Уровень возбужденного атома используется как верхний уровень рабочего перехода.

Непосредственное оптическое возбуждение атомов для получе­ ния инверсной населенности не нашло широкого применения. Спектральные линии газа очень узкие (около 0,01А), поэтому для получения возбужденных состояний требуется вспомогательное из­ лучение с частотой, точно равной частоте, соответствующей этому состоянию. Поэтому применение обычных источников света с широ­ ким спектром частот малоэффективно.

Известно, что ширина спектра, в котором возможна фотодиссо­ циация примерно в ІО4 раз больше, чем при оптическом возбужде­ нии атомов, и составляет несколько сот ангстрем. В этих условиях уже можно использовать имеющиеся световые источники, например лампы-вспышки. Преимущество ОКГ с фотодиссоциацией по сравне­ нию с газовыми ОКГ с использованием разряда состоит в том, что в нем происходит увеличение населенности одного, а не большого

208

числа уровней. Отсутствие разряда упрощает конструкцию и экс­ плуатацию ОКГ.

Для примера рассмотрим ОКГ с фотодиссоциацией молекул бромида таллия ТІВг. В этом ОКГ фотодиссоциация производится световым излучением ртутного разряда с длиной волны X = = 1,85 мкм, спектральные линии которого показаны в левой части рис. 12.17. Под действием этого излуче­ ния происходит диссоциация молекулы, на­ &І ходящейся в основном состоянии. На рис. 12.17 показан основной уровень 1 молекулы ТІВг, основной уровень 2 и два возбужденных уровня 3 и 4 атома таллия.

Оказывается, что уровень 3, оптические переходы которого запрещены, опусто­ шается только за счет ударной релакса­ ции. Таким образом поддерживается малое время жизни нижнего рабочего уровня 3. Верхний рабочий уровень таллия 4, интен­ сивно заселяется вследствие фотодиссоциа­

ции молекул. Поэтому в переходе 4—3 появляется инверсная на­ селенность и при ее достаточной величине наступает генерирование колебаний с длиной волны X — 0,535 мкм (зеленая линия).

Схема ОКГ с фотодиссоциацией показана на рис. 12.18. Отли­ чительная особенность состоит в расположении трубок с парами

Рис. 12.18

бромида таллия внутри ртутной газоразрядной лампы. Бромид таллия находится в специальном отростке. Вся установка помеще­ на в термостат с температурой 660° С, которая необходима для полу­ чения паров бромида таллия. Зеркала резонатора находятся вне термостата.

§ 12.6. Твердотельные ОКГ

Общая характеристика твердотельных ОКГ. ОКГ на твердом теле, или твердотельными ОКГ, называют оптические квантовые ге­ нераторы, в которых активной средой являются кристаллические

или аморфные диэлектрики. Для получения инверсной населенности используются энергетические уровни атомов и ионов, входящих в состав твердых веществ. Концентрация частиц в твердых вещест­ вах на несколько порядков больше, чем в газовых ОКГ. Поэтому имеется возможность получать большую населенность энергети­ ческих уровней, усиление и мощность на единицу объема.Такую же мощность, как в газовых ОКГ, можно получить при малой длине активного вещества. Однако необходимо отметить, что получить хорошую оптическую однородность в веществе большой длины труд­ но. Необходимо учитывать рассеяние излучения и понижение доб­ ротности резонаторов. Поэтому длина активных элементов твердо­ тельных ОКГ изменяется от нескольких до 50 см в наиболее мощных ОКГ. Небольшая длина активных элементов и неоднородности при­ водят к увеличению угла расходимости выходного излучения твер­ дотельных ОКГ (несколько десятков минут).

В твердых телах происходит сильное взаимодействие частиц, поэтому ширина энергетических уровней велика. Естественная ши­ рина спектральных линий, связанная со спонтанным излучением, составляет несколько ангстрем в кристаллах и несколько десятков ангстрем в стеклах. Ширина линий генерации также увеличивается

исоставляет доли ангстрема и больше.

Втвердотельных ОКГ используется метод вспомогательного излучения (оптическая накачка) для получения инверсной населен­

ности.

Резонаторы твердотельных ОКГ имеют следующие особенности. Роль зеркал выполняют торцовые поверхности активных стержней, на которые наносят отражающие покрытия. Специальной обработкой достигается требуемая параллельность торцовых поверхностей стержня. Иногда используют полное внутреннее отражение от торца, который в этом случае имеет форму призмы. Поперечный размер стержня круглой или квадратной формы составляет от нескольких миллиметров до 2—3 см.

Активный элемент ОКГ состоит из двух компонентов — основ­ ной среды (матрицы) и активной примеси, энергетические уровни которого используются в качестве рабочего перехода. В качестве матриц используют кристаллические материалы: корунд А120 3 (в рубиновом ОКГ), иттриевые гранаты, щелочно-земельные соли вольфрамовой H2W 04, молибденовой Н2Мо04 и плавиковой HF кислот. В качестве матриц применяют также аморфные вещества — стекла специального состава. В стеклах можно получить лучшую оптическую однородность, что позволяет увеличить длину актив­ ного вещества и повысить мощность.

В '|качестве активной примеси используют редкоземельные эле­ менты: неодим, диспрозий и др., а также хром и уран. Эти элементы

210

хрома показана на рис. 12.19. В результате воздействия сильного внутрикирсталлического поля основной уровень расщеплен на два подуровня 1, энергетический переход между которыми использу­ ется в квантовых парамагнитных усилителях (см. § 11.1). Сле­ дующие уровни также расщеплены на подуровни 2 и 3. Тепловые колебания ионов и дефекты кристаллической структуры вызывают местные изменения электрического поля, приводящие к размы­ тию энергетических уровней. Размытие подуровней 1 и 2 незначи­

переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Теперь можно объяснить получение инверсной населенности в рубиновом ОКГ. Под воздействием излучения источника света происходит возбуждение уровней 3 и увеличение их населенности. Вследствие процесса безызлучательной релаксации происходит быстрое уменьшение населенности уровней 3 и заселение метастабильных подуровней 2. Поэтому населенность подуровней 2 мо­ жет стать больше населенности основного уровня 1. Инверсная населенность при выполнении условий самовозбуждения обеспечит генерацию колебаний. Так как разрешены переходы в основное состояние с верхнего подуровня 2 и с нижнего, то возможна гене­ рация излучения в красной области с длинами волн X = 0,6943 мкм (6943Ä) и X — 0,6929 мкм (6929Â). Наиболее благоприятные усло­ вия для генерации излучения с X = 0,6943 мкм, однако, применяя специальные фильтры, можно обеспечить генерацию на длине волны

X = 0,6929 мкм.

Рубиновые ОКГ могут работать в импульсном и в непрерывном режимах. Для получения импульсного режима используют импульс­ ные ксеноновые лампы. Система оптической накачки содержит лам-

пу и элементы, обеспечивающие концентрацию светового тока на активный стержень. Эффективность системы оптической накачки определяют как отношение энергии, поглощенной в материале, к энергии, потребляемой лампой. Различные варианты систем оптической накачки показаны на рис. 12.20. Импульсные лампы имеют форму спирали (см. рис. 12.20, а), на оси которой расположен активный стержень, или цилиндра (см. рис. 12.20, б), расположен­ ного параллельно этому стержню. Зеркальные поверхности спе­ циальной формы концентрируют световой поток в стержне. Приме­ няется также возбуждение световым потоком в торец активного

стержня через переходное сапфировое устройство (см. рис. 12.20, в), в котором используется полное внутреннее отражение.

Импульсный режим работы ламп обеспечивается разрядом кон­ денсаторов, которые предварительно заряжаются от источника напряжением до нескольких киловольт. В излучение ОКГ обычно переходит около 25% подводимой к лампе мощности, остальная мощ­ ность выделяется в виде тепла. Это предъявляет определенные требования к конструкции ламп. С увеличением частоты повторения растет средняя мощность в разряде лампы, что уменьшает их срок службы. Работать на частотах выше 1 кГц трудно из-за перехода импульсного разряда в непрерывный дуговой. Для работы в непре­ рывном режиме используют специальные дуговые капиллярные лампы и лампы накаливания.

Выходная мощность рубинового ОКГ зависит от энергии на­ качки. Генерация начинается при некоторой пороговой энергии в несколько сот джоулей. В дальнейшем мощность излучения растет практически линейно. Энергия генерации у наиболее мощных рубиновых ОКГ достигает 10 Дж. Так как длительность импульса порядка 10 мс, то средняя мощность в импульсе составляет около 1 кВт. При этом к. п. д. не превышает 1%. В ОКГ непрерывного

212

действия используют кристаллы относительно небольшого размера, и выходная мощность таких ОКТ порядка 100 мВт.

Особенность рубинового ОКГ и других твердотельных ОКГ состоит в так называемом пичковом режиме работы. Выходное из­ лучение в импульсном и непрерывном режимах работы имеет ха­ рактер всплесков (рис. 12.21), т. е. наблюдается временная неста-

ОКГ в четырехуровневых ОКГ нижний уровень рабочего перехо­ да находится на достаточно большом расстоянии от основного уровня, значительно большем величины k t . В этом случае населен­ ность нижнего рабочего уровня оказывается небольшой даже при комнатной температуре. Это облегчает создание инверсной насе­ ленности, приводя к уменьшению мощности источника оптической накачки.

213

Понижение рабочей температуры от комнатной до азотной и ге­ лиевой еще больше облегчает получение инверсной населенности, так как уменьшается величина k t и затрудняется тепловое воз­ буждение нижнего рабочего уровня. Кроме того, понижение темпе­ ратуры устраняет исчезновение метастабильного состояния верхне­ го уровня, наблюдаемое при повышении температуры.

Рассмотренные ОКГ работают в импульсном и в непрерывном режимах. Порог накачки в импульсном режиме низок и составляет единицы джоулей. Наибольшая энергия в импульсе (до 1 кДж) получена в ОКГ на стекле с неодимом. В этом ОКГ использован стержень диаметром 20—30 мм и длиной до 80 см. Коэффициент полезного действия твердотельных ОКГ с редкоземельными ионами низок и составляет десятые доли -процента.

Твердотельные ОКГ с управляемой добротностью. Длительность импульса излучения мощных твердотельных ОКГ порядка 1 мс, а энергия излучения несколько сот джоулей, поэтому импульсная мощность достигает порядка нескольких сот киловатт. Обычные твердотельные ОКГ неприменимы для получения более коротких импульсов с большой импульсной мощностью.

Эту задачу можно решить, обеспечив накопление активных частиц на верхнем метастабильном энергетическом уровне в течение большого времени без выполнения условий самовозбуждения, а за­ тем выполнив условия самовозбуждения па очень короткое время. Для этого необходимо уменьшать добротность резонатора на время действия импульса накачки до уровня, при котором не выполняется условие самовозбуждения, и восстанавливать ее в конце импульса накачки, когда заканчивается накопление активных частиц. Такой метод получения коротких импульсов излучения с большой импульс­ ной мощностью называют методом управления добротностью или модуляции добротности.

Можно считать, что полная энергия в импульсе остается одина­ ковой (а иногда и уменьшается в связи с потерями, вносимыми устройством для изменения добротности). Наблюдаемая длитель­ ность импульса в ОКГ с управляемой добротностью порядка десят­ ков наносекунд по сравнению с длительностью около 10“3 с в обыч­ ном рубиновом ОКГ при той же энергии в импульсе означает уве­ личение импульсной мощности примерно в 10® раз, т. е. до ІО8 Вт.

Изменить величину добротности можно с помощью механических, электрооптических, магнитооптических и жидкостных («пассивных») затворов.

В качестве простейшего механического затвора используют вра­ щающийся диск с отверстием, расположенным между зеркалами Зх и 3 2резонатора (рис. 12.23, а). До тех пор, пока отверстие не ока­ жется на оси резонатора, происходит накопление активных частиц, а в момент прохождения отверстия через ось резонатора доброт­ ность резонатора резко возрастает, так как появляется возможность для отражения излучения от второго зеркала и усиления в рабочем веществе.

214

Целесообразнее использовать вращение одного зеркала (см. рис. 12.23, б) или призмы (см. рис. 12.23, б). В этих способах ус­ ловия самовозбуждения выполняются в момент параллельного расположения зеркал или положения призмы, изображенного на

В последнее время широко применяются пассивные затворы. Известно, что оптические свойства некоторых органических краси­ телей изменяются под воздействием света. Объясняется это возбуж­ дением молекул красителя, находящихся в основном состоянии. Происходящее при этом уменьшение населенности основного уров­ ня приводит к резкому уменьшению поглощения света (просветле­ ние раствора).

Предположим, что прозрачная кювета, в которой находится просветляющийся раствор красителя, помещен в резонатор рубино­ вого ОКГ (см. рис. 12.24, е). В исходном состоянии поглощение раст­ вора велико, т. е. резонатор оказывается перекрытым — следствие больших потерь. Импульсная световая накачка приводит к созданию в активной среде инверсной населенности и, когда разность насе­ ленностей уровней превысит пороговое значение, начинается гене­ рация. Появившееся излучение, проходя через раствор с красите­ лем, вызывает в нем резкое уменьшение поглощения (просветление).

215

Это приводит к быстрому лавинообразному росту мощности излу­ чения. Рубиновые ОКГ с жидкостными пассивными затворами по­ зволяют получить импульсы излучения длительностью около 10-8с с энергией несколько джоулей.

§ 12.7. Полупроводниковые ОКГ

Условия получения инверсной населенности в полупроводни­ ках. В полупроводниковых ОКГ используется инверсная населен­ ность, получаемая в полупроводниках с одним или различными ти­ пами проводимости (р—п-переход).

Предположим, что половина валентных электронов, находив­ шихся на уровнях вблизи потолка ё в валентной зоны, перешла в зону проводимости и расположилась на энергетических уровнях вблизи нижнего края ё пр зоны проводи­ мости. Если после этого еще некоторое количество валентных электронов перей­ дет в зону проводимости на те же уров­ ни, то получится состояние с инверсией населенности. Идеальным было бы со­ стояние (рис. 12.24), когда верхние уровни в области 2 полностью заполнены электронами проводимости, а нижние в области 1 полностью свободны от ва­ лентных электронов, т. е. полностью за­ полнены дырками. В этом случае инвер­ сия населенности была бы наибольшей.

Формально полупроводник, в кото­ ром большинство уровней в области 2 зоны проводимости занято электронами,

а в области 1 валентной зоны — дырками, можно назвать вырож­ денным одновременно для электронов или дырок, в то время как обычно удается создать либо электронные, либо дырочные вырож­ денные полупроводники.

Предположим, что в полупроводник попадает фотон с энергией / і ѵ , большей ширины запрещенной зоны А ё0, но меньшей Аё — ве­ личины, соответствующей границам областей 2 и 1, заполненных электронами и дырками:

При этом условии вынужденные переходы из области 2 в область 1 с испусканием новых фотонов возможны, а обратные переходы с поглощением энергии кванта падающего фотона невозможны, так как «некому» переходить (нет валентных электронов в области 1) и «некуда» переходить (заняты уровни в области 2), т. е. создаются наиболее благоприятные условия для получения вынужденного излучения. Если энергия падающего фотона hv > Аё, то начнется

216