Рубиновый оптический квантовый генератор (стр. 1 из 2)

Содержание:

1. ОКГ на твёрдом теле………………………………………………….	2
2. Активный элемент рубинового ОКГ………………………………..	4
3. Работа рубинового ОКГ………………………………………………	8
4. Осветители…………………………………………………………….	14
5. Использованная литература………………………………………….	16

ОКГ на твёрдом теле.

Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) на твердом теле называют такие оптические квантовые генераторы, в которых в качестве активной усиливающей среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик. Примерами твердотельных ОКГ могут служить широкоизвестные рубиновые ОКГ или генераторы на стекле. В этом случае инверсия заселенности образуется на энергетических уровнях атомов и ионов вещества, находящегося в твердом агрегатном состоянии.

При рассмотрении твердотельных ОКГ следует учитывать принципиальные особенности таких приборов. Концентрация активных частиц в твердом материале (10¹⁷ — 10²⁰см~³) на несколько порядков превышает концентрацию частиц в газовых средах. Поэтому в твердом теле населенности энергетических уровней значительно больше. Естественно, что и абсолютная величина инверсии заселенностей может быть существенно больше, чем в газах. Отсюда понятно, что твердые активные среды должны характеризоваться высоким коэффициентом усиления. Это позволяет, во-первых, получать большие мощности генерации и, во-вторых, добиваться генерации при малой длине активного слоя.

Твердое тело как оптическая среда обладает гораздо меньшей оптической однородностью по сравнению с газами. Это приводит к возникновению объемных потерь на рассеяние, снижению добротности резонатора при значительной длине активного элемента. Поэтому нет смысла делать активные элементы большой длины. Активные элементы твердотельных ОКГ имеют длину не более 50—60 см для наиболее оптически однородных материалов. Оптическая неоднородность среды приводит к тому, что сверхпороговая инверсия создается не по всему сечению активного элемента, а в определенных узких каналах. Поэтому угол расхождения пучка генерируемого излучения, оцениваемый даже из дифракционных соображений, оказывается значительным. В твердотельных ОКГ угол расхождения измеряется десятками минут.

В твердом теле взаимодействие между частицами существенно искажает структуру энергетических уровней. Как правило, энергетические уровни частиц твердого тела имеют большую ширину. Линии спонтанного излучения (флюоресценции) и генерации расплываются в широкие спектральные полосы. Для спонтанного излучения характерна ширина полосы в несколько ангстрем (кристаллы) или в несколько десятков ангстрем (стёкла). Ширина линии генерации составляет в лучшем случае доли ангстрема.

Способ создания инверсии в твердотельных ОКГ принципиально отличается от накачки в газовых и полупроводниковых ОКГ, он не может быть связан с прохождением электрического тока через твердый диэлектрик. Для твердотельных ОКГ характерна так называемая оптическая накачка. При оптической накачке заселение возбужденных состояний достигается путем интенсивного облучения активного материала излучением внешнего источника. Специально подобранный спектральный состав этого излучения или определенное соотношение между вероятностями соответствующих переходов приводит к преимущественному заселению верхнего рабочего состояния и возникновению инверсии.

Активный элемент рубинового ОКГ.

Первым оптическим квантовым генератором был генератор, в котором в качестве активного элемента использовался искусственный кристалл рубина. Рубиновый ОКГ и в настоящее время является одним из наиболее распространенных.

Промышленностью выпускаются активные элементы из синтетического рубина, технические требования и размеры которых установлены стандартами: ОСТ 3-24—70 и ОСТ 3-25—70.

В соответствии с этими стандартами рубиновые элементы могут иметь конфигурацию, представленную в табл. 1.

Обозначение рубинового элемента состоит из указания типа (табл.1.) и его размеров, например РЛ1Б 10х120. Выпускаются рубины диаметром от 3,5 до 16 мм и длиной от 45 до 240 мм с ориентацией оптической оси в пределах от 60 до 90°. Боковая поверхность обрабатывается одним из следующих способов: шлифовкой в пределах 5—10 классов чистоты, механической полировкой, при которой достигается чистота поверхности не ниже 12-го класса, а также химической или шероховатой полировкой. Диаметр активного тела при механической полировке обрабатывается по скользящей посадке 4-го класса; при всех других видах обработки обеспечивается скользящая посадка 5 класса точности. Непараллельность торцов у элементов типа Р, РЛ, РЛ2Б не превышает 10".

Активные тела из рубина нашли широкое применение в лазерной технике благодаря тому, что рубин генерирует излучение в видимой области спектра, может работать при комнатной температуре, имеет высокую механическую прочность и порог разрушения. Однако кристаллы рубина обладают обычно значительной оптической неоднородностью. Источниками этой неоднородности являются дефекты кристаллической решетки (дислокации, блоки, плоскости скольжения, инородные включения, неравномерное распределение ионов хрома в образце). Наличие дефектов в кристаллах вызывает появление в них внутренних напряжений. Неравномерное распределение в объеме кристалла ионов трехвалентного хрома вызывает значительную неоднородность показателя преломления и появление деформации решетки, что вызывает аномальное двулучепреломление.

На угловую расходимость и деформацию волнового фронта наибольшее влияние оказывают механические напряжения и неравномерность концентрации хрома по сечению. Существующая в настоящее время технология выращивания рубинов не обеспечивает равномерное распределение хрома в поперечном сечении образца. Центральная часть образца имеет меньшую концентрацию хрома и, следовательно, меньший, чем на периферии образца, коэффициент преломления п. Кроме того, может иметь место скачкообразное изменение показателя преломления на границах некоторых участков кристалла. В результате роста в кристалле возникают и внутренние деформации. Все это приводит к тому, что образец со взаимно параллельными торцами в оптическом отношении эквивалентен рассеивающей линзе. Плоская волна, проходя через активную среду, из-за радиального изменения показателя преломления, вызываемого деформациями и неоднородностью концентраций хрома, в значительной степени искажается. Это приводит к повышенной расходимости лазерного луча и неоднородному распределению энергии в нем. В результате исследований показано, в частности, что внутренние механические деформации образца оказывают наиболее сильное влияние на угловую расходимость луча, распределение интенсивности излучения и селекцию мод. Распределение и величина напряжений в кристаллах определяются измерением положений интерференционных полос в картинах двойного лучепреломления, которые определяются изменением оптической длины пути для

обыкновенного и необыкновенного пучков зависимостью:

где n_ои n_е – показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного пучков;l_a – длина активного тела; m_и – порядок интерференции.

Величина напряжения x определяется следующей зависимостью:

где В_ф — постоянная фотоупругости.

Величины напряжений, получаемые при использовании усредненного значения постоянной фотоупругости Вф=0,9*10^-7 см²/кг, равны: x=100 кг/см² для образцов низкого качества. Параметры внутренних напряжений в рубиновых стержнях являются удовлетворительным критерием при отборе образцов для одномодовой (ТЕМоо) генерации. Образцы высокого качества (x<30 кг/см²) обеспечивают генерацию одной поперечной моды в достаточно широком диапазоне накачки.

Величина механических напряжений в рубине зависит от плотности дислокации и их расположения в объеме. Дислокации и их скопления образовываются не только в процессе роста, но и при механической обработке кристалла. Механические напряжения вызывают двойное лучепреломление, и кристалл рубина становится двуосным. Неоднородность напряжений в кристалле вызывает дополнительное искажение сферической волновой поверхности.

Количественный и качественный характер дефектов достаточно индивидуален и может заметно изменяться для разных образцов.

Одним из факторов, ограничивающих энергетические параметры лазера, является стойкость рубина к воздействию мощного излучения, при определенных плотностях которого начинается разрушение торцов или объема материала. Под действием лазерного излучения большой мощности в первую очередь разрушаются торцевые поверхности рубина. Разрушение торцевых поверхностей можно объяснить на основе механизма теплового разрушения при поглощении света на локальных поверхностных дефектах, например, микротрещинах, границах между блоками и т. п. В результате поглощения света поверхностными дефектами происходит их быстрое нагревание до температуры, при которой имеют место необратимые изменения (оплавление, трещины и т.п.). Порог поверхностного разрушения рубина зависит от длительности светового импульса, от дефектов и структуры поверхности торца.