Рубиновый оптический квантовый генератор
1. ОКГ на твёрдом теле
2. Активный элемент рубинового ОКГ
3. Работа рубинового ОКГ
4. Осветители
5. Использованная литература
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 — 1020 см~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 nо и nе – показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного пучков; la – длина активного тела; mи – порядок интерференции.
Величина напряжения ? определяется следующей зависимостью:
где Вф — постоянная фотоупругости.
Величины напряжений, получаемые при использовании усредненного значения постоянной фотоупругости Вф=0,9*10-7 см2/кг, равны: ?=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 (?<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.
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/tимп, где tимп – длительность импульса.
График, представленный на рис.1, показывает, что для длинных импульсов пороговая мощность не меняется и не зависит от tимп. 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 Al2O3 является матрицей, а ионы хрома — активатором. Электронная конфигурация основного состояния трехзарядного иона 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 (??=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 ?32??21, 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.
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.
1
1