Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Мая 2015 в 21:22, контрольная работа
Принцип действия квантовых генераторов основан на взаимодействии высокочастотного поля с атомами или молекулами вещества. Они позволяют генерировать колебания значительно более высокой частоты и высокой стабильности. В квантовых генераторах при определенных условиях наблюдается непосредственное преобразование внутренней энергии атомов или молекул в энергию электромагнитного излучения. Это преобразование энергии происходит в результате квантовых переходов – энергетических переходов, сопровождающихся выделением квантов(порций) энергии.
В результате поглощения излучения накачки ионы хрома переходят в одно из состояний 3. За счет спонтанного безызлучательного распада этих состояний ионы оказываются в метастабильных состояниях 2. Поскольку в данном случае выполняется условие g32>g21, населенность состояний 2 при соответствующей плотности накачки может превысить населенность невозбужденного состояния и на переходах 2®1 возникает генерация.
В рубиновом ОКГ генерация осуществляется на двух линиях (в соответствии с расщеплением состояния 2), которые обычно обозначают R1 и R2. Длина волны этих линий зависит от температуры кристалла, так как температура изменяет характер внутрирешеточного расщепления основного ионного состояния. Зависимость длины волны генерации от температуры кристалла является специфической особенностью твердотельных ОКГ. Значения длины волны генерации на рубине при комнатной и азотной температурах приведены в табл.2.
Таблица 2.
Генерация на рубине в настоящее время реализуется как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Для импульсного режима характерны миллисекундные импульсы генерации, в .этом случае используются импульсные ксеноновые лампы. Пороговая энергия накачки зависит при выбранной лампе от объема и температуры кристалла, а также от конструкции системы накачки. Используются кристаллы диаметром от 12—15 мм и длиной до 15—20 см.
Обычно уровень пороговой энергии для рубина составляет сотни джоулей. С ростом энергии накачки растет и энергия в импульсе лазерного излучения. Теоретическую зависимость энергии генерации от энергии накачки можно представить, используя проведенный выше анализ работы трехуровневой схемы. Энергия в импульсе лазерного излучения сначала возрастает линейно с ростом энергии накачки, а затем насыщается.
На рис.6 показаны экспериментальные точки этой зависимости и сплошной линией - теоретическая зависимость.
Энергия генерации у наиболее мощных рубиновых ОКГ достигает десяти джоулей. Если учесть, что длительность импульса ~10 мсек, то средняя мощность в импульсе генерации составит ~1кВт. Коэффициент полезного действия рубиновых ОКГ не превышает 1 %.
В последнее время появились работы, в которых описывается генерация на рубине в непрерывном режиме.
Для этого используются кристаллы относительно небольшого размера и, как правило, система охлаждения. Пороговая мощность накачки даже для малых кристаллов достигает 1000 Вт. Эта величина существенно зависит от выбора лампы накачки и конструкции системы накачки. Мощность, генерируемая рубиновым ОКГ в непрерывном режиме,— порядка сотни милливатт.
Для улучшения эффективности систем накачки в ряде случаев используются модифицированные конструкции активного элемента.
Концентрация излучения в образце приводит к неполному использованию активной среды и к снижению эффективности системы накачки. Чтобы устранить вредное влияние концентрации излучения накачки, стержень активного элемента рубинового ОКГ делают составным. Внутренняя часть стержня представляет собой рубин, а внешняя оболочка — сапфир, т. е. неактивированную решетку Al2O3. Сапфир обладает тем же показателем преломления, поэтому граница раздела рубин - сапфир не искажает хода лучей.
Тогда все лучи, падающие на поверхность образца, пройдут сквозь рубин.
Вместо сапфировой оболочки для тех же целей могут-использоваться иммерсионные жидкости. В этом случае одновременно решается проблема охлаждения.
Иммерсионная жидкость должна иметь показатель преломления, близкий к показателю преломления рубина (n = 1,76). В качестве иммерсионных жидкостей применяется раствор SnCl2*2H2O в глицерине (n = 1,76) и водный раствор SnCl2*2H2O (n = 1,6).
Другое усовершенствование формы кристалла рубина используется при накачке в оптических и солнечных печах, когда излучение накачки удобнее вводить в кристалл через торцевую поверхность. В этом случае на входном торце наращивают сапфировый конус, как показано на рис.7. Это приводит к увеличению эффективности системы накачки.
4.Оптические квантовые генераторы на стекле
Активированном неодимом, находят такое же широкое распространение, как рубиновые.Это обусловлено достоинствами стекла: простотой изготовления образцов больших размеров (до нескольких сантиметров в диаметре и длиной до метра и более), высокой оптической однородностью, возможностью введения рабочих частиц в необходимых концентрациях с равномерным распределением по объему.
Недостатком стекла является низкая теплопроводность, что затрудняет создание генераторов большой средней мощности и ограничивает его работу режимом одиночных импульсов.
Средняя мощность в импульсе генерации достигает единиц мегаватт. Коэффициент полезного действия таких генераторов составляет доли процента, их выходное излучение, так же как и у рубиновых ОКГ, носит пичковый характер. Ширина спектра излучения при больших уровнях накачки достигает 20 нм. Излучение ОКГ на неодимовом стекле неполяризовано. Это связано с хаотической ориентацией ионов неодима и оптической однородностью стекла.
Угловая расходимость выходного луча ОКГ на неодимовом стекле достигает обычно единиц угловых минут, что значительно меньше величины расходимости излучения рубиновых ОКГ. Это обусловлено более высокой оптической однородностью стекла.
Использованная литература:
М., Советское радио, 1968.
2. Б.Р.Белостоцкий, Ю.В.Любавский, В.М.Овчинников.
Основы лазерной техники. М., Советское радио,1972