Рубиновый оптический квантовый генератор (стр. 2 из 2)

Плотность пороговой мощности разрушения поверхности для рубиновых образцов с монокристаллической структурой поверхности в несколько раз выше. чем для рубинов с аморфной структурой поверхности. Тщательно полированная поверхность имеет более высокую поверхностную стойкость. В диапазоне коротких импульсов пороговая мощность поверхностного разрушения Pпор – пропорциональна 1/t_имп, где t_имп – длительность импульса.

График, представленный на рис.1, показывает, что для длинных импульсов пороговая мощность не меняется и не зависит от t_имп. В области длинных импульсов пороговая величина поверхностного разрушения составляет примерно 10⁶ вт/см². Для коротких импульсов длительностью около 50 нс эта величина будет примерно равна 280 МВт/см².

Объемная прочность рубина значительно выше поверхностной и составляет величину 3 •10¹⁰ вт/см².

Работа рубинового ОКГ.

Рубин — кристаллический минерал, имеющий окраску от бледно-розовой до ярко-красной;структура рубина — кристаллическая решетка Al₂O₃ с внедренными в нее трехзарядными ионами хрома. Содёржание хрома обычно колеблется в пределах от 0,05 до 0,5%. Цвет кристалла определяется содержанием хрома — чем больше хрома, тем более красный оттенок имеет рубин.

К кристаллам рубина, используемым в технике ОКГ, предъявляются очень жесткие требования по размерам и оптической однородности, поэтому технология выращивания кристаллов рубина для ОКГ претерпела существенное совершенствование.

В рубиновом ОКГ кристаллическая решетка Al₂O₃является матрицей, а ионы хрома — активатором. Электронная конфигурация основного состояния трехзарядногоиона хрома — 3d³. Вследствие взаимодействий между ионами кристаллической решетки основное состояние асщеплено на ряд уровней. Схема нижних энергетических уровней приведена на рис.2.

Два близко расположенных уровня 2-метастабильные долгоживущие состояния. Два широких уровня 3 соответствуют состояниям с малым временем жизни, причем наиболее вероятен спонтанный переход 3®2. Этот переход безызлучательный — избыток внутренней энергии иона переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Инверсное заселение состояний происходит по трехуровневой схеме рис.3 и рис.4.

Излучение накачки поглощается в криcталле на переходах 1®3. Спектр поглощения рубина соответствует раздвоенной структуре состояния 3. Он cодержит две широкие (Dl=1000 Ангстрем) полосы поглощения, максимумы которых приходятся на зеленую и фиолетовую области спектра. Спектр поглощения рубина представлен на рис.5, где две зависимости соответствуют двум ориентациям падающего излучения относительно оптической оси кристалла.

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 ~10мсек, 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.

Осветители.

В твёрдотельных ОКГ для получения инверсной населённости применяется оптическая накачка с помощью импульсных ламп или ламп непрерывного горения. Для повышения эффективности накачки лампу и активное тело размещают в осветителе, представляющем собой, как правило, замкнутую оптическую систему, в которой излучаемая лампой световая энергия специальными отражателями направляется на активное тело.

Концентрация световой энергии осветителем осуществляется далеко не идеально. Наряду с низкой эффективностью превращения электрической энергии в световую (35-50%) и неполным использованием поглощенной активным телом энергии (6-15%), потери в осветителе (30-70%) являются одним из основных факторов, определяющих к.п.д. твёрдотельных лазеров(0.1-5%).

Выбор типа осветителя зависит от требований, предъявляемых к лазеру в каждом конкретном случае. Например, в одномодовом генераторе, предъявляются повышенные требования к равномерности и симметрии в распределении энергии накачки по сечению активного тела. В других случаях основным требованием является максимальная эффективность светопередачи. В установках с большой выходной энергией используются многоламповые осветители, которые при сравнительно невысокой своей эффективности обеспечивают наибольшую величину светового потока. Некоторые наиболее употребимые типы осветителей представлены на рис.8.

Использованная литература:

1. Е.Ф.Ищенко, Ю.М.Климков. Оптические квантовые генераторы.

М., Советское радио, 1968.

2. Б.Р.Белостоцкий, Ю.В.Любавский, В.М.Овчинников.

Основы лазерной техники. М., Советское радио,1972.