6.2. Оптические квантовые генераторы

Общие принципы работы оптических квантовых генераторов (лазеров) совпадают с принципами работы квантовых генераторов и усилителей СВЧ. Тем не менее, в работе оптического квантового генератора, частоты которого на несколько порядков превышают частоты СВЧ диапазона, имеется ряд особенностей [14].

На рис. 6.2 показана обобщенная схема оптического квантового генератора (ОКГ).

Рис. 6.2

Подобно квантовым генераторам СВЧ, оптические квантовые генераторы содержат те же три основных элемента:

— активную среду, которая обладает определенным набором энерге-тических состояний;

— систему накачки, возбуждающую активную среду;

— резонатор, который обеспечивает накопление энергии и положи-тельную обратную связь. Он представляет собой систему двух параллельных зеркал, между которыми помещается актив­ная среда.

Система возбуждения воздействует на активную среду, в ре­зультате чего в ней появляются спонтанные переходы с излуче­нием фотонов. Те фотоны, направление движения которых не сов­падают с оптической осью резонатора, уходят за его пределы. Если же направление движения фотонов совпадает с оптической осью, то произойдет их поочередное отражение от зеркал, в ре­зультате чего они многократно пройдут через активную среду. Это приведет к возникновению новых фотонов с теми же значе­ниями частоты, фазы и движения. Интенсивность излучения внут­ри резонатора начнет лавинообразно возрастать до величины, ко­торая определяется усилительными свойствами среды и скоростью накачки. Выделение генерируемой энергии осуществляется через одно из специальных полупрозрачных зеркал в виде оптического луча. Остальная энергия в резонаторе обеспечивает положитель­ную обратную связь, которая под-держивает генерацию.

Особенностями полученного таким способом оптического луча являются:

— достаточно большая мощность полезного излучения за счет многократного прохождения его через активную среду внутри ре­зонатора, что эквивалентно усилению;

— высокая направленность излучения, поскольку оно рас­пространяется вдоль оси резонатора или под несущественным углом к ней;

— когерентность излучения, так как фазы всех полезных фото­нов жестко связаны между собой.

Активной средой в оптических квантовых генераторах могут служить среды, находящиеся в одном из агрегатных состояний: газовом, жидком, твердом или полупроводниковом.

В соответствии с используемой активной средой различают следую-щие виды ОКГ:

— газовые;

— жидкостные;

— твердотельные;

— полупроводниковые.

Из всего разнообразия активных сред выбирают только те, ко­торые обладают значительной интенсивностью спектральных ли­ний.

Выбранный вид активной среды требует применения вполне конкретных систем возбуждения или накачки. Так, например, возбуждение колебаний в газовых ОКГ, как правило, осуществляет­ся путем создания электрического разряда в газах, в твердотель­ных и жидкостных ОКГ — путем накачки с помощью мощного светового излучения (им­пульсными лампами), а в полупроводниковых ОКГ — путем инжекции свободных носителей заряда.

Однако кроме отмечен­ных существуют и другие виды возбуждения и накач­ки ОКГ (в газовых ОКГ— химические реакции, в полу­проводниковых ОКГ — пуч­ки быстрых электронов и т. п.).

Резонатор оптического квантового генера-тора яв­ляется одним из основных элементов, поскольку он не только создает условия ге­нерации, но и определяет основные характерис-тики излучения оптического диа­пазона.

На рис. 6.3 показаны некоторые типы резонаторов ОКГ (а—с плоскими зер­калами; б—с полуфокаль­ными зеркалами; в—с конфо-кальными зеркалами; г — с концентрическими зеркалами; д — с зеркала­ми «плоскость—сфера»).

Каждый из резонаторов имеет свои преимущества и недостат­ки. Этот вопрос излагается в [14].