- •Электронные и квантовые приборы свч
- •Глава 1 Общие сведения по электронным и квантовым приборам свч и оптического дипазонов
- •Особенности свч и оптического диапазонов
- •1.2. Общие сведения об электронных и квантовых приборах свч и оптического диапазонов и их основных параметрах
- •1.3. Классификация электронных и квантовых приборов свч и оптического диапазонов
- •Глава 2 триоды и тетроды свч
- •2.1. Полный ток в промежутке между электродами и во внешней цепи электровакуумных приборов
- •2.2. Работа триода на свч
- •2.3. Применение триодов и тетродов свч
- •Глава 3 клистроны
- •3.1. Пролетный двухрезонаторный клистрон
- •3.2. Двухрезонаторные клистронные генераторы
- •3.3. Многорезонаторные клистроны
- •3.4. Применение многорезонаторных клистронов
- •3.5. Отражательный клистрон
- •Глава 4 лампы бегущей волны типа о (лбво)
- •4.1 Принцип работы лампы бегущей волны
- •4.2. Замедляющие системы
- •4.3. Элементы линейной теории лбв
- •4.4. Параметры и характеристики лбв
- •4.5. Особенности устройства и применения лбв
- •4.6. Гибридные приборы типа о
- •4.7. Лампа обратной волны
- •Глава 5 приборы типа м
- •5.1. Движение электронов в скрещенных статических электрическом и магнитном полях
- •5.2. Взаимодействие электронов и свч поля
- •5.3. Лампа бегущей волны типа м (лбвм)
- •5.4. Лампа обратной волны типа м (ловм)
- •5.5. Многорезонаторный магнетрон
- •5.6. Митрон
- •5.7. Платинотрон
- •5.8. Приборы с циклотронным резонансом
- •Глава 6 полупроводниковые диоды и транзисторы свч
- •6.1. Полупроводниковые диоды свч
- •Глава 7 лавинно-пролетные диоды (лпд)
- •Глава 8
- •Глава 9 физические основы квантовых приборов
- •9.1. Энергетические уровни
- •9.2. Квантовые переходы
- •9.3. Ширина спектральной линии
- •9.4. Возможность усиления и генерации в квантовых системах
- •9.5. Взаимодействие бегущих электромагнитных волн с активной средой
- •Глава 10 квантовые приборы свч
- •10.1. Квантовые парамагнитные свч усилители
- •10.2. Квантовые стандарты частоты (ксч)
- •Глава 11 лазеры
- •11.1. Оптические резонаторы
- •11.2. Условия самовозбуждения и мощность излучения лазера
- •11.3. Характеристики излучения в оптическом диапазоне
- •11.4. Газовые лазеры
- •11.5. Лазеры на твердом теле
- •11.6. Жидкостные и химические лазеры
- •11.7. Полупроводниковые лазеры
- •11.8. Методы модуляции излучения лазера
- •11.9. Применение лазеров в технике связи
- •Заключение
- •Основные обозначения
- •Список литературы
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Глава 6. Полупроводниковые диоды и транзисторы свч………………………….………
Глава 11 лазеры
11.1. Оптические резонаторы
Лазером называют генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения. В лазерах используется вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда, обладающая способностью усиления электромагнитного излучения на частоте квантового перехода. В зависимости от агрегатного состояния лазерного вещества различают газовые, твердотельные, полупроводниковые и жидкостные лазеры. Система накачки лазера должна обеспечивать передачу энергии от внешних источников питания к активному веществу для создания инверсии населенностей уровней. Положительная обратная связь в лазере создается с помощью оптического резонатора.
Открытым оптическим резонатором называют систему, состоящую из двух обращенных друг к другу отражающих поверхностей, в которой могут возбуждаться электромагнитные колебания оптического диапазона. Отражающими поверхностями могут быть зеркала различной формы (плоские, сферические, параболические), грани призм полного внутреннего отражения, границы раздела сред с различными показателями преломления. Оба зеркала могут иметь как одинаковую, так и различную кривизну. Расстояние между отражающими поверхностями определяется используемой активной средой и может быть от десятых долей миллиметра до нескольких метров в зависимости от типа и мощности лазера.
Простейшим открытым оптическим резонатором является система из двух плоских строго параллельных зеркал, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Эффективное взаимодействие электромагнитного поля с активной средой осуществляется при помещении ее в резонатор, который должен быть таким, чтобы можно было разместить внутри него достаточное количество активного вещества. Активное вещество может заполнять рабочий объем резонатора частично или полностью. В последнем случае торцы твердого вещества обрабатываются так, что могут служить отражающими поверхностями. Кроме того, взаимодействие должно происходить в как можно меньшей полосе частот. Обычные закрытые резонаторы не могут удовлетворить этому требованию, поскольку для возбуждения колебаний только одного типа размеры резонатора должны быть сравнимы с длиной волны. На оптических частотах это невыполнимо. Если же взять большой по размерам резонатор, то он будет много волновым и усиление будет возможно на всех его частотах внутри спектральной линии активного вещества.
Задача резонатора лазера — обеспечить, чтобы возникающее внутри него вынужденное излучение многократно проходило через активную среду, способную усиливать проходящее через нее излучение. Таким образом, с помощью резонатора получается положительная обратная связь. Для вывода полезного излучения из резонатора его зеркала делаются частично прозрачными (полупрозрачными).
Резонатор во многом определяет основные свойства выходного излучения: степени монохроматичности и когерентности, направленность и мощность. Нормальные типы колебаний (моды) резонатора можно рассматривать как результат интерференции плоских волн, распространяющихся от одного зеркала к другому. В результате в резонаторе образуются стоячие волны.
Нормальные типы колебаний открытого резонатора обозначают , чтобы показать, что векторы электрического и магнитного полей в большинстве случаев перпендикулярны продольной оси резонатора. Индексы — целые числа; равно числу полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора между его зеркалами. Для прямоугольных зеркал индекс означает число изменений знака поля по оси , а — по оси . Для круглых зеркал индекс означает число изменений знака поля вдоль радиуса, а — по углу. Типы колебаний с различными и называют поперечными. Они отличаются друг от друга распределением амплитуды и фазы поля на поверхностях зеркал, а также дифракционными потерями. Типы колебаний, имеющие одни и те же значения и , но разные , называются продольными. Они отличаются друг от друга резонансной частотой. Интервал между частотами двух соседних, различающихся по величине на единицу, продольных колебаний в резонаторе с плоскими параллельными бесконечно протяженными зеркалами, составляет
, (11.1)
где — скорость света; — расстояние между зеркалами.
На рис 11.1 представлены структуры электрических полей для простейших нормальных типов колебаний для плоских зеркал прямоугольной и круглой форм. Стрелки указывают направление вектора напряженности электрического поля. Каждое колебание характеризуется двумя индексами и , так как каждому такому распределению соответствует целое семейство типов колебаний, отличающихся индексом . Число велико по сравнению с и (этот индекс в обозначениях типов колебаний обычно опускают). Тип колебаний с индексами называется основным.
В лазерах сначала применялись резонаторы с плоскими зеркалами. В настоящее время такие резонаторы используются в твердотельных и полупроводниковых лазерах. Одним из достоинств резонаторов с плоскими зеркалами является максимальная направленность выходного излучения.
Резонаторы, образованные двумя сферическими зеркалами с равной кривизной, находящимися друг от друга на расстоянии радиуса кривизны, называются конфокальными резонаторами.
Каждый тип колебаний характеризуется потерями, которые при отсутствии внутри резонатора активного вещества состоят из потерь в зеркалах и дифракционных потерь. При отражении излучения от зеркал наблюдаются частичное рассеяние и поглощение излучения. Кроме того, для вывода полезного излучения одно из зеркал делается полупрозрачным. Эти потери можно оценить произведением , где и — коэффициенты отражения от зеркал по мощности.
При отражении плоской волны от зеркала конечных размеров возникает дифракция от края зеркала. Если в плоскости зеркала диаметра имеется синфазный фронт волны, то отраженная волна распространяется в пределах дифракционного угла, определяемого
(11.2)
Вследствие конечности угла расхождения электромагнитной волны и конечных размеров зеркал часть электромагнитной энергии теряется при каждом отражении.
Дополнительные потери получаются из-за рассеяния на оптических неоднородностях активной среды, заполняющей резонатор.
На (рис. 11.2) приведены значения дифракционных потерь мощности ад за один проход волны для резонаторов с плоскими зеркалами и конфокальными сферическими зеркалами. Одним проходом волны называют прохождение излучением удвоенного расстояния между зеркалами ,так что излучение успевает отразиться по 1 разу от каждого зеркала резонатора. По оси абсцисс отложен параметр, называемый в оптике числом Френеля:
.
С увеличением числа Френеля потери уменьшаются. Потери мощности на один проход в конфокальном резонаторе (сплошные линии) значительно ниже потерь в резонаторе с плоскими зеркалами (пунктир).
Часто используются полусферические резонаторы, у которых одно зеркало плоское, а второе — сферическое. Длина такого резонатора равна половине радиуса кривизны сферического зеркала. Резонатор имеет низкие потери и мало критичен к изменению расстояния между зеркалами.
Открытые резонаторы по сравнению с закрытыми тех же размеров имеют значительно более разреженный спектр собственных частот. Однако необходимо применять дополнительные меры по разрежению спектра, потому что ширина контура спектральной линии активной среды много больше, чем расстояние между частотами соседних типов колебаний в открытом резонаторе, что приводит к одновременной генерации нескольких типов. Это ухудшает когерентность выходного излучения и расширяет диаграмму направленности.
Разрежение спектра достигается созданием в открытом резонаторе таких условий, при которых дифракционные потери для нежелательных типов колебаний больше, чем для рабочего колебания. Например, используя тот факт, что поле основного типа колебания концентрируется вблизи оси резонатора и чем выше порядок поперечной моды, тем дальше от оси простирается поле, можно осуществить подавление поперечных типов колебаний высшего порядка путем введения внутрь резонатора специальной диафрагмы. Круглое отверстие в диафрагме подбирается таким образом, чтобы оно оказывало минимальное влияние на поле основного колебания, а по мере перехода к поперечным типам колебаний более высокого порядка диафрагма будет вносить все большие дифракционные потери.
Один из методов селекции продольных типов колебаний основан на внесении в резонатор тонкой поглощающей пленки, которая избирательно ослабляет колебания, имеющие в плоскости пленки большую напряженность электрического поля. Те же типы колебаний, стоячая волна которых в плоскости пленки имеет узлы, будут ослабляться незначительно при условии, что толщина пленки много меньше длины волны. Один из самых простых методов получения одночастотного режима состоит в снижении мощности накачки до значения, близкого к пороговому, когда условия самовозбуждения выполняются только для центральной частоты спектральной линии.