2.11 Итог аналитического обзора.

Разнообразие областей применения ТТЛ обуславли­вает различные требования к их выходным характери­стикам. Поэтому не существует универсальной схемы поперечной накачки, позволяющей получать весь спектр требуемых выходных характеристик. Важной задачей раз­работки квантрона является поиск его оптимальной кон­струкции, с помощью которой можно получить требуе­мые выходные характеристики при наименьших эконо­мических затратах.

Практически во всех работах представлены резуль­таты исследования созданных квантронов (законченных конструкций) с оптимальными параметрами. При проек­тировании квантронов с полупроводниковой накачкой, как правило, решается задача формирования однород­ного по сечению активного элемента распределения мощ­ности накачки. По сравнению с ламповой накачкой по­лупроводниковая характеризуется значительно меньшей шириной спектра излучения и высокой пространственной когерентностью. Это дает возможность формировать распределения мощности накачки различного вида. Оче­видно, что существуют инварианты, определяющие связь между параметрами элементов при масштабировании квантронов по мощности накачки и размерам активного элемента, но функциональные возможности квантронов с этой точки зрения в работах не рассматривались. Ком­плексное моделирование процессов полупроводниковой накачки, оптимизация параметров квантронов для раз­ных целей - предмет отдельного рассмотрения.

Практически отсутствуют работы по квантронам на основе активных элементов с несколькими активато­рами и конверсионными активными средами, имею­щими различные длины волн поглощения. Для разра­ботки таких квантронов требуются комбинированные источники накачки. Очевидно, что решение всех этих вопросов еще впереди.

3. Разработка оптической и струкутурно – функциональной схемы установки.

3.1. Методика расчета генератора твердотельного лазера с накачкой диодными матрицами.

Расчет лазерного генератора заключается в последовательном расчете накачки, усиления в резонаторе и теплового расчета.

Рассматриваемый нами лазер на гранате с неодимом работает по так называемой четырехуровневой схеме [38].

Схема основных энергетических уровней ионов неодима в матрице иттрий алюминиевого граната, участвующих в процессах накачки и генерации, приведена на рисунке 32а.

Рисунок 32а - Схема энергетических уровней ионов неодима в матрице Y₃Al₅O₁₂

Первый уровень, называемый основным, соответствует минимально возможному значению энергии, которую могут иметь ионы неодима. Число ионов, имеющих минимальную энергию (находящихся на основном уровне), составляет большинство. Число ионов, находящихся на более высоких уровнях энергии, заметно меньше и оно подчиняется равновесному распределению Больцмана:

(0)

- число ионов в единице объема, находящихся на уровне i; W_i — разность между энергией уровня i и энергией основного уровня; k = 1,38∙10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура кристалла, С_i - нормировочная постоянная. Обычно энергию основного уровня считают условно нулевой, тогда W_i будет просто энергией i-гo уровня. [39]

Предположим, что внутри кристалла распространяется свет с частотой, равной частоте перехода между рабочими уровнями 2 и 3. Он вызывает два процесса: вынужденного излучения ионов неодима, находящихся на уровне 3, и при этом к волне добавляется энергия излучения (усиление света), и процесс поглощения энергии волны ионами, находящимися на уровне 2 (рисунок 32а).

В нормальном состоянии число ионов на уровне 2 больше, чем на уровне 3, и поглощение волны превалирует над усилением, то есть свет ослабляется. Если кристалл облучается светом накачки, то под его воздействием ионы неодима сначала переходят на уровни (полосы) накачки 4, а затем быстро на метастабильный уровень 3, где задерживаются. При достаточной мощности накачки скорость поступления ионов на метастабильный уровень превысит скорость ухода их с этого уровня за счет спонтанных переходов. В этом случае будет происходить накопление ионов на метастабильном уровне и через какое-то время число ионов на уровне 3 превысит число ионов на уровне 2. В этом случае излучение резонансное переходу 32 при прохождении такой среды будет усиливаться.

Если усиление света превосходит его суммарное ослабление за счет поглощения в среде и потерь на частичное пропускание выходного зеркала резонатора, то возникает генерация и лазер начинает излучать свет с частотой равной частоте перехода 32. Очевидно, что мощность излучаемого света тем выше, чем выше мощность света накачки и чем меньше потери света внутри резонатора.