15) Оптические квантовые усилители

Оптические квантовые гене­раторы/усилители(ОКГ) или лазеры являются единственными и сточниками мощ­ного монохроматического света.

Излучение существующих оптических квантовых генераторов охватывает диапазон длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, примыкающей к миллиметровым вол­нам. Аналогично квантовому генератору в радиодиапазоне оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: рабочего (активного) вещества, в котором тем или иным способом

создается инверсия населенностей, и резонансной системы (рис .62). В качестве последней в ОКГ используются открытые резонаторы ти­па интерферометра Фабри - Перо, образуемые системой из двух зеркал, удаленных друг от друга.

Рабочее вещество осуще­ствляет усиление оптического излучения благодаря индуциро­ванному испусканию активных частиц. Резонансная система, вызывая многократное прохо­ждение возникающего оптиче­ского индуцированного излуче­ния через активную среду, об­условливает эффективное вза­имодействие поля с ней. Если рассматривать ОКГ как автоколеба­тельную систему, то резонатор обеспечивает положительную обрат­ную связь в результате возвращения части распространяющегося между зеркалами излучения в активную среду. Дяя возникновения колебаний мощность в ОКГ, получаемая от активной среды, должна быть равна мощности потерь в резонаторе иди превышать ее. Это эквивалентно тому, что интенсивность волны генерации после про­хождения через усиливающую среду, отражения от зеркал -/ и 2 , возвращения в исходное сечение должна оставаться неизменной или превышать первоначальное значение.

При прохождении через активную среду интенсивность волны 1^ изменяется по экспоненциальному закону (при пренебрежении насыщением) L, ° 1^ ежр [ (ос,^ - b())-c ] , а при отражении от зеркала она изменяется в г раз ( т - коэффициент . отражения зеркала), поэтому условие возникновения генерации можно запи­сать как

где L - длина рабочей активной среды; r1 и r2 - коэффициенты отражения зеркал 1 и 2 ; _ - коэффициент усиления активной среды; ₀ - постоянная затухания, учитывающая потери энергии в рабочем веществе в результате рассеяния на неоднородностях и дефектах.

16) Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики

Полупроводниковые усилители строятся в основном по двум схемам: усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными, т.е. не отражающими торцами (рисунок 7.2), и резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается близким, но все-таки ниже порогового значения (рисунок 7.3).

Усилители бегущей волны (УБВ) могут быть реализованы с достаточно большим коэффициентом усиления (около 30 дБ при ) широкой полосой (около 5  10 ТГц). Для этого необходимо подавление возможных отражений фотонов от торцов (отражение менее 0,1%). Это достигается в конструкциях усилителей, изображенных на рисунке 7.4.

Резонансный усилитель Ф–П имеет слишком узкую полосу усиления на уровне -3 дБ от максимального (менее 10 ГГц) и мало пригоден для оптических систем передачи. Соотношение полос частот усиления для УБВ и усилителя Ф–П приведено на рисунке 7.5.

рисунок 7.2 Усилитель бегущей волны и его частотная характеристика

Рисунок 7.3 Усилитель резонансного типа и его частотная характеристика

Рисунок 7.4 Конструкции усилителей бегущей волны с активным слоем и подавлением отраженных лучей

Пригодные для оптических систем передачи усилители бегущей волны имеют разные коэффициенты усиления для продольных и поперечных мод (мод ТЕ и ТМ) (рисунок 7.6). Поэтому усилители выполняются из двух кристаллов с ортогональным расположением активных усиливающих слоев.

Рисунок 7.5 Спектральные характеристики усиления

Рисунок 7.6 Усиление для продольных и поперечных мод в УБВ

17) Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов. Конструкция, принцип действия, основные характеристики

Волоконно-оптические усилители (ВОУ) достоинства:

• простота конструкции;

• высокая надежность;

• большие коэффициенты усиления;

• малые шумы;

• широкая полоса усиления;

• нечувствительность к поляризации усиливаемого света и т.д.

Принцип действия ВОУ основан на эффекте возбуждения посредством внешней накачки атомов материала, помещенных в сердцевину обычного одномодового стекловолокна. Для увеличения длины участка передачи применяются эрбиевые ВОУ. Рассмотрим их работу и характеристики.

В сердцевине стекловолокна помещены ионы эрбия (Er ³ )Ионы эрбия возбуждаются за счет поглощения энергии волн генератора накачки (l _Н). Они переходят с основного уровня на более высокие энергетические уровни, а затем безизлучательно снижаются (релаксируют) до метастабильного уровня. Одновременно на возбужденные атомы воздействует излучение сигнала l _С, вызывающее стимулированное излучение на всей длине активного волокна.

Рисунок 7.9 Уровневая диаграмма переходов трехвалентного иона эрбия

О днако не все атомы взаимодействуют с излучением сигнала и спонтанно переходят на основной уровень. Спонтанная эмиссия фотонов порождает шум излучения, который тоже может усиливаться. При достаточно интенсивном входном сигнале с длиной волны l _С спонтанное излучение в эрбиевом усилителе может быть подавлено. Характеристики поглощения и излучения атомами эрбия изображены на рисунке 7.10. Рисунок 7.10 Характеристики поглощения и излучения атомов эрбия Er ³⁺, помещенных в сердцевину стекловолокна(1) Рисунок 7.11 Усиление эрбиевого усилителя в зависимости от длины волокна и мощности накачки(2)

18) ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ КВАНТОВЫХ СИСТЕМ И ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ НИМИ

Энергетические уровни.

Квантовая система, состоящая из микрочастиц, отличаются тем, что ее внутренняя энергия может принимать только дискретные значения. Возможные дискретные значения энергии называют энергетическими уровнями.

Между электронными уровнями располагаются колебательные уровни КУ с расстоянием примерно 0,1 эВ, а между колебательными уровнями находятся вращательные уровни ВУ

Квантовые переходы.Спонтанные переходы – самопроизвольные квантовые переходы из верхнего энергетического состояния в нижнее. Уровень, соответствующий наименьшей возможной энергии, называется основным, а остальные – возбуждёнными. Частота излучения определяется из постулата Бора

,где энергия верхнего (ε_j ) и нижнего (ε_i ) уровней; h- постоянная Планка. Частота называется частотой квантового перехода. Число частиц с одинаковой энергией в единице объёма называется населённостью уровня.

При спонтанных переходах происходят изменение населённости уровней, уменьшение верхнего 2 и увеличение нижнего 1.

Уменьшение населённости уровня 2 в результате только спонтанных переходов за время dt пропорционально населённости этого уровня N2 и времени dt: dN₂= -A₂₁N₂dt, где A_{21_}- коэффициент Эйнштейна(ДЛЯ СПОНТ)

Вынужденные переходы – это квантовые переходы частиц под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает или близка к частоте перехода. При этом возможны переходы с верхнего уровня 2 на нижний 1 и с нижнего на верхний. В первом случае под действием внешнего электромагнитного поля с частотой ν₂₁ происходит вынужденное испускание кванта энергии hν₂₁. Особенность вынужденного испускания состоит в том, что появившийся фотон полностью идентичен фотону внешнего поля. Вынужденное излучение имеет такие же частоту, фазу, направление распространения и поляризацию, как и вынуждающее излучение. Поэтому вынужденное излучение увеличивает энергию электромагнитного поля с частотой перехода ν₂₁. Число вынужденных переходов сверху вниз с излучением энергии в единицу времени в единицу объёма пропорционально вероятности W₂₁ и населённости верхнего уровня N₂. n₂₁(в)=W₂₁N2=B₂₁u_νN₂ число вынужденных переходов снизу вверх с поглощением энергии: n₁₂(в)=W₁₂N₁=B₁₂u_νN_{1 ГДЕ}В₂₁ и В₁₂ - коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов с излучением и поглощением энергии

.20) инверсная населенность. показатель усиления.

п ри создании лазеров сущ.способ,кот. заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньше энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной.

наличие среды с инверсной населенностью является одним из основных условий усиления излучения в квантовой системе. В обычных условиях распределение населенности уровней подчиняется закону Больцмана и величина перенаселенности будет отрицательной.

получение: При сообщении системе внешней энергии, она переходит в новое энергетическое состояние, растет температура системы, увеличивается населенность верхних уровней. С момента прекращения воздействия внешней энергии система стремится к первоначальному энергетическому состоянию. Начинается перераспределение частиц между уровнями. В силу различия во временах жизни нижние относительно метастабильного уровни опустошаются быстрее и в течение некоторого времени в системе существует инверсия населенности.

процессы усиления и генерирования лазерного излучения называется законом Бугера.

,(1)

где - показатель усиления среды; ( - показатель потерь.