книги из ГПНТБ / Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник

паратуры входят модулирующие устройства, работа которых бу­ дет рассмотрена ниже.

А к т и в н ы е в е щ е с т в а . В качестве активных веществ в квантовых генераторах, кроме кристаллов рубина, используют и другие кристаллические вещества, а также пластмассы и стек­ ла с различными примесями.

Рис. 3.4. К пояснению процесса усиления фотонов в кристалле рубина с примесыо хрома:

я—невозбужденное состояние; б—воздействие подсветки; Л—

В табл. 3.1 приведены некоторые материалы, используемые в качестве активных веществ квантовых генераторов на твердом теле. Основными материалами для твердотельных ОК.Г явля­ ются рубин, стекло и иттриевоалюминиевый гранат (ИАГ).

Кристаллы рубина и стекла с неодимом изготовляют в виде стержней круглого, квадратного или шестиугольного сечения.

70

Таблица 3.1

Материалы, используемые для квантовых генераторов на твердом теле

Боковые поверхности полируют с оптической точностью. Диаметр стержней 0,5—1,0 см для рубина и до 5,0 см — для стекла; дли­ на стержня до 50—100 см. Торцовые поверхности стержней па­

71

раллельны с точностью до 3—9 угловых секунд. Наибольшая энергия, снимаемая с 1 см3 материала, составляет: для рубина 0,15—2. для стекла 1,2—5 и 0,15—0,5 Дж для граната в зависи­ мости от режима работы. Эти цифры очень важны, так как поз­ воляют определить максимально возможную мощность ОКТ при заданных размерах активного элемента.

Система возбуждения состоит обычно из источника света (на­ качки) п отражателя (осветителя), концентрирующего излучение источника накачки на активном веществе. В качестве источников

руется в другой фокальной оси, т. е. там, где расположено ак­ тивное вещество. Для увеличения энергии источника накачки может быть пспользозано несколько ламп (рис. 3.6, «).

Энергия излучения ламп накачки достигает нескольких тысячджоулей. Источником накачки может служить и солнечная энергия. Для концентрации солнечной энергии используют зер­ кально-линзовые оптические системы.

Основными источниками питания генераторов являются про- -мышлеиная сеть переменного тока или специальные преобразо­ ватели постоянного тока. Напряжение этих первичных источни­ ков служит для зарядки батареи конденсаторов, разряд которых используется для зажигания ламп накачки. Все эти элементы системы возбуждения объединяют н электрическую схему ге­

нератора.

Пример электрической схемы системы возбуждения генера­ тора на рубине показан па рис. 3.7. Схему можно разделить на три части —■ блок питания, блок запуска и блок (лампа) на­ качки. Блок питания обеспечивает энергией заряд конденсаторов п состоит из трансформатора Тр 1, выпрямителя В1 п конденса­

72

тора Cl, напряжение с которого подается на электроды лампы накачки Л.

Блок запуска генерирует импульс высокого напряжения, ко­ торое подается на запускающий электрод лампы накачки, чем обеспечивается начальный пробои в лампе. Блок состоит из трансформатора Тр2, выпрямителя В2, конденсатора С2 и им­ пульсного трансформатора ТрЗ.

Схема работает следующим образом. При включении пере­ ключателя К в положение «1» напряжение от сети подается па

3

8)

Рис. 3.6. Рефлекторы:

цилиндрический; 6 — эллиптический; в—полиэллпитлческшк / — актникоо вещество; ^—источник накачки; <7—тип отражателя

трансформаторы Тр 1 п Тр2. Со вторичных обмоток этих транс­ форматоров напряжение подводится к выпрямителям. Выпрям­ ленное напряжение заряжает конденсаторы Cl п С2. При этом конденсатор С1 подключен к лампам накачки. После этого пере­ ключением переключателя К в положение «2» осуществляется запуск схемы. В этот момент силовые трансформаторы Тр 1 п Тр2 отключаются от сети, а конденсатор С2 разряжается через трансформатор ТрЗ, с вторичной обмотки которого на запускаю­ щий электрод лампы подается импульс тока напряжением до 40 кВ, вызывающий ионизацию газа в лампе накачки. Внутрен­ нее сопротивление лампы резко падает н через нее разряжается конденсатор С1, вызывая мощный световой импульс. Этим им­ пульсом обеспечивается возбуждение атомов хрома в кристалле рубина. Для получения новой вспышки необходимо снова заря­ дить конденсаторы.

Очевидно, при такой схеме генератор может работать только в импульсном режиме (так называемый импульсный генератор). Частота посылок световых импульсов определяется параметра­ ми электрической схемы и температурой кристалла рубина. Из­ быточная энергия, отдаваемая атомами хрома при их переходе из зоны возбуждения в метастабильное состояние, нагревает кристалл. Если время между зарядами конденсаторов, а следо­ вательно, и вспышек мало, то кристалл не успевает отдать тепло внешней среде и разогревается. Разогрев кристалла может вы­

73

вести его из строя. Поэтому при значительной частоте вспышек применяют искусственное охлаждение кристалла водой, возду­ хом, жидким азотом. По этим же причинам охлаждения требуют и некоторые другие рабочие вещества. На рис. 3.8 показано уст­ ройство ОКГ с охлаждением активного элемента и лампы на­ качки. В одном из фокусов эллиптического рефлектора 1 поме­ щается активный элемент 2 с оболочкой (рубашкой) 3 для ох­ лаждающей жидкости. В другом фокусе рефлектора размещается лампа накачки 4 с оболочкой 5 для охлаждающей жидкости.

Рис. 3.7. Принципиальная электрическая схема квантового генератора:

BL Б2—выпрямители; С, С2—накопительные конденсаторы; Тр1, Тр2, ТрЗ—трансфор­ маторы; К—выключатель; Д —дроссель

Зеркала 6 и 7 служат резонатором, усиливающим излучение, вы­ ходящее из активного элемента 2. При этом зеркало 6 является «глухим», оно только отражает излучение, а зеркало 7, через ко­ торое выходит луч генератора 9, сделано полупрозрачным. Ох­ лаждающей жидкостью 10 может служить вода, смесь воды со спиртом пли другая какая-либо смесь, которая при омыванпп активного элемента н лампы накачки поглощает выделяемое ими

ванных фотонов света через активное вещество в рубиновом ге­ нераторе использовались зеркальные плоские поверхности, меж­ ду которыми помещался кристалл рубина. Иногда этими поверх­ ностями служат полированные и посеребренные торцы кри-

74

сталла. Объемный резонатор из двух параллельных зеркал давно известен под названием интерферометра Фабри—Перо. Отличие резонатора от интерферометра заключается в том, что исполь­ зуемое в нем излучение усиливается при применении активного вещества. Отсюда следует основное назначение резонатора — усилить попадающее в него электромагнитное излучение до та­ кого уровня, при котором обеспечивалась бы компенсация по­ терь энергии в активном веществе, получающихся за счет по­ бочных излучений. Резонатор в квантовом генераторе служит

9

:>

Рис. 3.8. Схема ОК.Г с охлаждением:

/ —рефлектор (осветитель); 2—активный элемент; 3— обо­ лочка охлаждения активного элемента; 4—лампа накач­ ки; 5—оболочка охлаждения лампы накачки; 6, 7—зерка­ ла резонатора; 8—блок питания лампы накачки; 9 ~ излу­ чение; /0—"охлаждающая жидкость

для обратной связи и обеспечивает незатухающие колебания ■определенной длины волны. От качества резонатора, его доброт­ ности зависит интенсивность излучения, его направленность и монохроматичность.

Добротность Q резонатора определяется из равенства

Эта формула справедлива для g<Cl.

75

Чтобы в резонаторе могли возникать колебания с малыми по­ терями, добротность его должна быть как можно большей. Для этого резонатор должен удовлетворять двум условиям:

1)расстояние / между зеркалами должно быть таким, чтобы пучок лучен, испытав ряд последовательных отражений, мог вый­ ти за пределы резонатора, пройдя расстояние между зеркалами не менее 20—100 раз;

2)размеры зеркал должны быть таковы, чтобы соблюдалось условие

где г| и г2— радиусы зеркал; /. — длина волны колебания.

Из формулы (3.6) и указанных условий видим, что доброт­ ность резонатора можно регулировать в широких пределах. Это позволяет управлять излучением генератора. В современных ОКГ добротность Q= 105—106.

В твердотельных квантовых генераторах существует два вида излучений — так называемая свободная генерация, о ко­ торой рассказывалось выше, н режим работы с модулированной добротностью. Этот режим работы отличается от свободной ге­ нерации тем, что на какое-то короткое время генерируемая ак­ тивным веществом энергия задерживается внутри резонатора, а затем после накопления излучается в виде мощного короткого импульса длительностью 10—50 наносекунд (10—50)-10~9 с. Конструктивно такой режим работы обеспечивается путем введе­ ния между активным телом и непрозрачным («глухим») зерка­ лом резонатора специального устройства, называемого переклю­ чателем добротности пли затвором. На рис. 3.9 показаны три схемы получения режима модулированной добротности.

В первой схеме (рис. 3.9, а) вместо «глухого» зеркала 4 ре­ зонатора поставлена вращающаяся зеркальная призма 3 (опти­ ко-механический переключатель добротности). До тех пор пока одна из граней призмы 3 при вращении не займет положения,, строго параллельного зеркалу 2 и торцам активного элемента 1, резонанса, а следовательно, и излучения наружу не будет. Энер­ гия излучения будет накапливаться внутри резонатора. Во вто­ ром варианте (схема б) в качестве переключателя добротности используется фототропный пассивный затвор 5. Затвор состоит из металлической кюветы, заполненной специальной фототропной жидкостью, которая просветляется, т. е. становится прозрачной, только при воздействии на нее излучения определенной мощно­ сти. До этого момента излучение активного элемента фототроп­ ной жидкостью не пропускается. В момент просветления жид­ кость становится прозрачной, затвор «открывается» и в действие вступают оба зеркала резонатора — 2 и 4, что приводит к мгно­

7б

пульса напряжения.

Квантовые генераторы с модулированной добротностью излу­ чения применяются в оптической локации и дальиометрии, где короткий импульс излучения длительностью в 10—20 наносекунд

Щ2 Ж.

1*1г

S)

в)

Рис. 3.9. Схемы получения режима модулированной доброт­ ности:

(ис) обеспечивает высокую точность измерения. Однако указан­ ные длительности импульсов непригодны при использовании твердотельных ОКГ для резки металлов, прожигания отверстий или проведения медицинских операций, так как излучение за время 10—20 наносекунд не успевает воздействовать на мате­ риал. Для этих целей служат ОКГ со свободной генерацией, обеспечивающей излучение импульсов длительностью в несколь­ ко единиц или десятков миллисекунд (10_3—10~4 с). Отечествен­ ной промышленностью выпускаются подобные квантовые гене­ раторы. Наиболее мощными из них являются ОКГ ГОР-ЮОМ и ГОС-ЮОО. Генератор ГОР-ЮОМ на рубине диаметром 16 мм и длиной 240 мм обеспечивает энергию излучения до 100 Дж в импульсе длительностью в несколько миллисекунд. ГОР-ЮОМ предназначен для пайки, сварки и обработки тугоплавких п сверхпрочных материалов, в том числе и для высверливания от­ верстий в алмазах. Квантовый генератор ГОС-ЮОО на стекле с неодимом имеет импульсную энергию излучения не менее 1000 Дж на длине волны 1,06 мкм.

77

§ 3.3. ГАЗОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Применение в квантовых генераторах газовых сред в качест­ ве активного вещества значительно облегчает получение непре­ рывного индуцированного излучения. Это объясняется тем, что для перевода вещества в возбужденное состояние в газах требу­

Вионных 01\Г рабочими веществами являются сильно иони­ зированные инертные газы: ксенон (Хе), криптон (Кг), аргон (Аг) и неон (Ne), а также ионы фосфора (Р), серы (S), хлора (СП и некоторых металлов.

Вмолекулярных ОКГ энергия излучения создается молекула­

ми газа, например С02.

Рассмотрим принципы действия и устройство этих типов га­ зовых ОКГ.

Гели и н е о н о в ые ОКГ

Если обычную рекламную газоразрядную трубку наполнить в определенной пропорции смесыо гелия и неона и поместить ее между двух плоских зеркал, как это показано на рис. 3.10, а, то получим газовый оптический квантовый генератор. Если теперь

Рис.-3.10. Схема газового ОК.Г:

а —схема устройства; б—‘энергетические уровни гелии и неона;

с помощью генератора 5 переменного напряжения через смесь ге­ лия и неона пропустить электрический ток (создать разряд), то под воздействием быстрых электронов тока атомы гелия, имею-

78

щие большее давление и энергию, чем неон, возбудятся и перей­ дут на верхний энергетический уровень (рис. 3.10, б).

При соударении возбужденных атомов гелия с атомами нео­ на, находящимися в невозбужденном состоянии *, атомы гелия передают последним энергию электронов, тем самым возбуждая и переводя атомы неона на один из верхних уровней 2S и соз­ давая инверсное состояние.

При столкновении атомы неона переходят главным обра­ зом на уровни 2S, а не на 2Р или 1S. Уровни 2S неона энерге­ тически мало отличаются от уровней 23S гелия, вследствие чего для перехода атомов неона на эти уровни требуется наименьшая затрата энергии. Преобладание переходов атомов неона на уров­ ни 2S создает условия генерации. Как только населенность уров­ ней 2S превысит населенность уровней 2Р, первый спонтанный переход атома с одного из уровней 2S на уровень 2Р вызовет ин­ дуцированное излучение когерентного света во всем объеме га­ зов.

На рис. 3.10, б можно увидеть, что уровень 2S неона состоит из четырех подуровней, а уровень 2Р — из 10 подуровней. Су­ ществует 30 возможных переходов с подуровней 2S на подуров­ ни 2Р, вызывающих излучение в инфракрасной области. Наи­ более интенсивным из всех известных в настоящее время является излучение на длине волны 0,630 и 1,158 мкм, которое со­ ответствует переходу атомов неона со 2-го подуровня 2So на 4-й подуровень 2Р4 (л= 1,152 мкм). Отдав энергию в виде излучения, возбужденные атомы неона постепенно начнут переходить с уровней 2Р на уровни 1S, с которых они возвращаются в исход­ ное положение. При этом также совершается излучение, только уже на длине волны 0,63 мкм. При длине газоразрядной трубки около 1 м можно получить непрерывное излучение с мощностью до 100 милливатт на длине волны 0,63 мкм и десятки милливатт в ИК-Диапазоне (X = 1,15 мкм). Увеличение длины трубки до 5 м повышает мощность излучения до ~ 1 Вт при длине волны %= = 0,63 мкм и 0,1 Вт — при X= 1,15 мкм. Установлено, что мак­ симальные мощности излучения получаются при диаметре тру­ бок около 7 мм.

Для получения направленности излучения используется объ­ емный резонатор в виде отражающих поверхностей. Конструк­ тивно газовый генератор выполняют в виде газоразрядной труб­ ки, наполняемой смесыо гелия под давлением 1 мм рт. ст. и неона под давлением 0,1 мм рт. ст. На концах трубки устанавли­ вают плоскопараллельные полупрозрачные зеркала. Соответст­ вующей настройкой этих зеркал получают излучение на длине волны 1,15 или 0,63 мкм. С помощью кабеля на трубку подается

* Следует иметь в виду, что за счет тока разряда какое-то количество атомов Ne все же возбудится и перейдет на верхние уровни, но их недоста­ точно для получения инвентарного состояния.

79