книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

Спектральные характеристики (рис. 10) отличаются наличием в близкой инфракрасной области спектра (0,8 —

— 1,0 мкм) нескольких интенсивных размытых линий. При изменении тока через лампу и давления газа спек­ тральное распределение излучения фактически не меняется

Рис. 11. Общий вид ксеноновых ламп высокой интенсивности

На рис. 11 показан общий вид ксеноновых ламп высокой интенсивности различных типов. Ксеноновые лампы ши­ роко используются как источники видимого света (в види­ мой части спектра их излучение весьма сходно с солнеч­ ным, Г ц А; 6300 К), но в еще большей мере они являются мощными источниками коротковолнового инфракрасного излучения (к = 0,8 ч - 1,0 мкм). В частности, их исполь-

30

зуют для оптической накачки ОКГ (лазеров), работающих в непрерывном режиме.

Трубчатые ксеноновые лампы с длинной дугой (совет­ ская маркировка ДКсТ) выпускаются мощностью от 1 до 100 кВт, на напряжение питания 220 и 380 В, при длине трубки от 50 до 1800 мм и ее диаметре от 5 до 50 мм. Шаро­ вые ксеноновые лампы с короткой дугой выпускаются мощностью от 200 Вт (ДКсШ-200 — СССР) до 20 кВт, (ХЕ-20 000 — США), на напряжение питания 220 и 380 В. Некоторые из этих ламп работают при естественном ох­ лаждении; при значительной мощности применяется водя­ ное охлаждение. Яркость ксеноновых ламп чрезвычайно

11. Импульсные источники излучения

Импульсные источники излучения предназначены для получения кратковременных вспышек высокой интенсив­ ности. Как источники инфракрасного излучения они мо­ гут применяться для ряда целей, из которых важнейшей является использование для оптической накачки ОКГ (лазеров).

Импульсный разряд в газах в своем развитии проходит следующие стадии: стадию электрического пробоя газового промежутка, создающего условия для возникновения ос­ новного разряда, главную стадию сильноточного конден­ сированного разряда (при которой ток достигает макси­ мального значения и выделяется максимальная энергия) и стадию погасания разряда и деионизации газового про­ межутка.

Важнейшей характеристикой импульсного разряда яв­ ляется длительность импульса (промежуток времени, в те­ чение которого рассматриваемый параметр А излучения — энергия, лучистый поток и т. д., остается больше некото­

31

щий электрод. Принципиальная схема включения пока­ зана на рис. 12. Разряд возникает при подаче управляю­ щего напряжения на третий, зажигающий электрод; в этой схеме напряжение на обкладках конденсатора ниже напря­ жения пробоя импульсной лампы, управляющее напря­ жение подается на сетку тиратрона ТГИ-35/3, включен-

Рис. 12. Принципиальная схема включения импульс­ ной лампы ИСТ

ного последовательно с импульсной лампой ИСТ-10. При разряде конденсатора через лампу ИСТ-10 возникает мощ­

В спектре импульсного разряда уширенные линии сли­ ваются в непрерывный фон, соответствующий широкому спектральному диапазону.

Импульсные источники излучения применяются также для освещения при фотографировании (в частности, на инфрахроматических материалах), для оптических дальномерных устройств и т. д.

В табл. 5 приведены данные отечественных импульсных ламп [27]. Подробные сведения о физических процессах

32

в газоразрядных источниках излучения, их свойствах и характеристиках, а также об импульсных источниках из­ лучения содержатся в монографиях Г. Н. Рохлина [35] и И. С. Маршака [27].

12. Оптические квантовые генераторы (лазеры), излучающие в инфракрасной области спектра

Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) или ла­ зерами называются приборы, действие которых основано на явлении вынужденного (стимулированного или инду­ цированного) излучения. ОКГ являются источниками ко­ герентных электромагнитных колебаний в оптическом участке спектра (в частности, многие из них в инфракрас­ ном диапазоне).

Физическим процессам в ОКГ, их устройству и приме­ нению посвящена обширнейшая литература. Читателю, желающему обстоятельно ознакомиться с кругом этих во­ просов, можно посоветовать обратиться к монографиям А. Л. Микаэляна, М. Л. Тер-Микаэляна, Ю. Г. Туркова [28], Е. Ф. Ищенко, Ю. М. Климкова [13] и к небольшой книжке В. К- Базарова [1].

До появления ОКГ источниками оптических излучений являлись только нагретые тела и тела, испускающие из­ лучение люминесценции; все эти источники испускают не­ когерентные излучения, возникающие в результате сооб­ щения излучающему телу энергии какого-либо вида.

ОКГ являются излучателями, в которых подводимая энергия превращается в энергию излучения на совершенно ином принципе стимулированных (индуцированных) коле­ баний, вследствие чего излучение ОКГ характерно коге­ рентностью, высокой монохроматичностью и огромной спектральной плотностью лучистого потока.

Даже такой мощный тепловой излучатель, каким яв­ ляется Солнце (черное тело при Т = 6000 К), при интег­ ральной плотности излучения 7 кВт - см - 2 имеет спектраль­ ную плотность излучения при %т = 0,48 мкм равную

только 104 Вт-см- 2 -мкм или 1 Вт - см - 2 - А) . Современные ОКГ (например, на рубине) создают в импульсе мощности порядка сотен и тысяч мегаватт в пучке сечением примерно 1 см2 , состоящем из монохроматического потока с А% —

34

герентность (из которой и следует монохроматичность из­ лучения), т. е. согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени (пространственная когерентность). Пространст­ венная когерентность обусловливает высокую направлен­ ность излучения ОКГ и возможность точнейшей фокуси­ ровки пучка в пятно очень малых размеров. Так, напри­

к этому фокусировку луча ОКГ с помощью оптической си­

Высокая направленность излучения ОКГ создает их серьезные преимущества по сравнению с обычными источ­ никами излучения, состоящие в исключительно малых по­ терях энергии на больших расстояниях, помехозащищен­ ность луча, возможность его пространственной фильтрации и др. Основными частями ОКГ являются: активное вещество система накачки и оптический резонатор. Кроме того, в кон­ струкциях ОКГ предусматриваются различные системы и устройства, обеспечивающие нормальную работу и управ­ ление излучением ОКГ: система охлаждения активного ве^ щества и устройства накачки, система -модуляции излуче­ ния ОКГ, оптическая система фокусировки излучения, устройства для управления лучом и т. д.

Важнейшей частью любого ОКГ является оптический резонатор — система из двух обращенных одна к другой отражающих поверхностей, между которыми располагается активное вещество ОКГ. Формы и конструкции оптических резонаторов весьма разнообразны (простейшим являются два плоских зеркала, одно из которых является полупро­ зрачным и служит для вывода из ОКГ полезного излуче­ ния).

Возникающее в активном веществе (инверсной среде) индуцированное излучение чрезвычайно усиливается бла­ годаря многократному прохождению через среду, причем сохраняется фаза и обеспечивается когерентность излу­ чения.

В оптическом резонаторе происходят ряд сложных яв­ лений (усиление и потеря мощности, образование спектра частот, временная задержка и т. д.), рассматриваемых в специальных работах [13, 28].

Приведем очень краткие сведения о некоторых видах

находится в газовой фазе (в виде собственно газов или па­ ров твердых и жидких веществ). Из всех видов ОКГ газо­ вые ОКГ создают наибольшую монохроматичность и наи­ меньший угол расхождения пучка (порядка Г).

Активный элемент газового ОКГ представляет собой кварцевую трубку диаметром от 1 мм до нескольких санти • метров, длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров. Трубка откачивается на вакуумной установке, заполняется рабочей смесью газов и устанавливается ме­ жду зеркалами оптического резонатора. Накачка инверс­ ной среды осуществляется главным образом в плазме газового разряда в процессе ступенчатого возбуждения ато­ мов, причем механизмы создания инверсии весьма много­ образны [13].

Примером газового ОКГ непрерывного действия, ис­

типа ЛГ-34, выпускаемый серийно нашей промышлен­

создает молекулярный газовый ОКГ непрерывного дейст­

достоинствам относится также удобная для прохождения через толщу атмосферы длина волны излучения, обеспе­ чивающая наименьшие потери и помехи.

Краткие технические данные упомянутых газовых ла­ зеров приведены в табл. 6.

36

ОКГ на твердом теле. В твердотельных лазерах актив­ ной средой является кристаллический или аморфный ди­ электрик обычно в форме цилиндра или четырехгранной призмы. Размеры активных элементов твердотельных ОКГ невелики; длина от нескольких сантиметров до 50—60 см, поперечник — от нескольких миллиметров до 2—3 см.

Принципиальное различие твердотельных ОКГ от га­ зовых состоит в гораздо более высокой (на несколько по­ рядков выше) концентрации активных частиц в твердом материале, что создает гораздо большую инверсную засе­ ленность, чем в газовой среде.

В твердотельных ОКГ инверсия осуществляется опти­ ческой накачкой — интенсивным облучением активного материала излучением внешнего источника со специально подобранным спектральным составом. Система оптической накачки состоит из импульсной ксеноновой газоразрядной лампы накачки и светооптической арматуры, концентри­ рующей лучистый поток накачки на активном элементе. Эффективность излучения накачки определяется долей лу­ чистого потока лампы накачки, поглощаемой в активном веществе.

37

Примером твердотельного ОКГ инфракрасного излуче­ ния является лазер на стекле с неодимом типа ГСИ-1 с дли­ ной волны излучения X = 1,06 мкм, работающий в импульс­ ном режиме ( с т л ; Ю - 3 с) и с мощностью излучения порядка 105 Вт. Схема устройства твердотельного ОКГ по­ казана на рис. 13.

В большинстве твердотельных ОКГ в качестве актива­ торов, вводимых в основное вещество (матрицу) активного элемента, используют ионы редкоземельных элементов

(неодима, самария, диспрозия, эрбия, гольмия и празео­ дима). Содержание активатора в матрице составляет от 0,005 до 1%.

В табл. 7 приведены основные параметры некоторых

Отражающие поверхности в этих лазерах создаются обычно на границе раздела кристалла с воздухом; для этого противоположные грани кристалла тщательно по­ лируются или скалываются по кристаллографическим пло­ скостям. При этом благодаря большому показателю прелом­

38

при очень малой длине активной среды (составляющей де­ сятые доли миллиметра).

Примером полупроводникового ОКГ инфракрасного из­ лучения является инжекционный лазер на арсениде галлия

рис. 14, где / — полированные торцовые поверхности; 2 — область р-типа; 3 — область я-типа; 4 — электрические проводники; 5 — молибденовая пластина, покрытая слоем золота; 6 — переход; 7 — излучение. Активным вещест­ вом является монокристалл GaAs в форме куба или парал­ лелепипеда со сторонами длиной в несколько десятых мил­ лиметра. Две боковые грани, строго параллельные и по­ лированные с высокой точностью, являются открытым

39