Головна
Банківська справа  |  БЖД  |  Біографії  |  Біологія  |  Біохімія  |  Ботаніка та с/г  |  Будівництво  |  Військова кафедра  |  Географія  |  Геологія  |  Екологія  |  Економіка  |  Етика  |  Журналістика  |  Історія техніки  |  Історія  |  Комунікації  |  Кулінарія  |  Культурологія  |  Література  |  Маркетинг  |  Математика  |  Медицина  |  Менеджмент  |  Мистецтво  |  Моделювання  |  Музика  |  Наука і техніка  |  Педагогіка  |  Підприємництво  |  Політекономія  |  Промисловість  |  Психологія, педагогіка  |  Психологія  |  Радіоелектроніка  |  Реклама  |  Релігія  |  Різне  |  Сексологія  |  Соціологія  |  Спорт  |  Технологія  |  Транспорт  |  Фізика  |  Філософія  |  Фінанси  |  Фінансові науки  |  Хімія

Оптичні квантові генератори - Фізика

Успіхи, досягнуті при розробці та дослідженні квантових підсилювачів і генераторів в радіодіапазоні, послужили базою для реалізації пропозиції про посилення і генерації світла на основі індукованого випромінювання і привели до створення квантових генераторів оптичного діапазону. Оптичні квантові генератори (ОКГ) або лазери є єдиними джерелами потужного монохроматичного світла. Принцип посилення світла за допомогою атомних систем був вперше запропонований в 1940 р В.А. Фабрикантом. Однак обгрунтування можливості створення оптичного квантового генератора було дано лише в 1958 р Ч. Таунсом і А. Шавлова на основі досягнень розробок квантових приладів в радіодіапазоні. Перший оптичний квантовий генератор був реалізований в I960 р Це був ОКГ з кристалом рубіна в якості робочої речовини. Створення інверсіїзаселеність в ньому здійснювалося методом трирівневої накачування, що застосовувався зазвичай в парамагнітних квантових підсилювачах.

В даний час розроблено безліч різноманітних оптичних квантових генераторів, що відрізняються робочими речовинами (в цій якості використовуються кристали, скла, пластмаси, рідини, гази, напівпровідники) і способами створення інверсіїзаселеність (оптичне накачування, розряд в газах, хімічні реакції і т.д.).

Випромінювання існуючих оптичних квантових генераторів охоплює діапазон довжин хвиль від ультрафіолетової до далекої інфрачервоної області спектра, що примикає до міліметровим хвилях. Аналогічно квантовому генератору в радіодіапазоні оптичний квантовий генератор складається з двох основних частин: робочого (активного) речовини, у якому тим або іншим способом

створюється інверсія заселеність, і резонансної системи (рис .62). В якості останньої в ОКГ використовуються відкриті резонатори типу інтерферометра Фабрі - Перо, утворені системою з двох дзеркал, віддалених один від одного.

Робоча речовина здійснює посилення оптичного випромінювання завдяки индуцированному випускання активних частинок. Резонансна система, викликаючи багаторазове проходження виникає оптичного індукованого випромінювання через активне середовище, обумовлює ефективну взаємодію поля з нею. Якщо розглядати ОКГ як Автоколивальні систему, то резонатор забезпечує позитивний зворотний зв'язок в результаті повернення частини поширюваного між дзеркалами випромінювання в активне середовище. Дяя виникнення коливань потужність в ОКГ, одержувана від активної середовища, повинна дорівнювати потужності втрат в резонаторі йди перевищувати її. Це еквівалентно тому, що інтенсивність хвилі генерації після проходження через посилюючу середу, відбиття від дзеркал - / і 2, повернення у вихідне перетин повинна залишатися незмінною або перевищувати первинне значення.

При проходженні через активне середовище інтенсивність хвилі 1 ^ змінюється за експоненціальним законом (при нехтуванні насиченням) L, ° 1 ^ ежр [(ос, ^ - b ()) - c], а при відображенні від дзеркала вона змінюється в г раз (т - коефіцієнт. відображення дзеркала), тому умова виникнення генерації можна записати як

де L - довжина робочої активного середовища; r1 і r2 - коефіцієнти відображення дзеркал 1 і 2; - коефіцієнт посилення активного середовища; ?0- постійна загасання, що враховує втрати енергії в робочому речовині в результаті розсіювання на неоднорідностях і дефектах.

I. Резонатори оптичних квантових генераторів

Резонансні системи ОКГ, як зазначалося, являють собою відкриті резонатори. В даний час найбільш широко застосовуються відкриті резонатори з плоскими і сферичними дзеркалами. Характерна особливість відкритих резонаторів - їх геометричні розміри у багато разів перевищують довжину хвилі. Подібно об'ємним відкриті резонатори мають набір власних типів коливань, що характеризуються певним розподілом поля в них і власними частотами. Власні типи коливань відкритого резонатора являють собою рішення рівнянь поля, що задовольняють граничним умовам на дзеркалах.

Існує кілька методів розрахунку об'ємних резонаторів, що дозволяють знаходити власні типи коливань. Строга і найбільш повна теорія відкритих резонаторів дана в роботах Л.А.Вайв-штейну. * Наочний метод розрахунку типів коливань у відкритих резонаторах розвинений в роботі А.Фокса і Т.Лі.

(113) Вней використовується. чисельний розрахунок, що моделює процес встановлення типів коливань в резонаторі в результаті багаторазового відбиття від дзеркал. Спочатку задається довільний розподіл поля на поверхні одного з дзеркал. Потім, застосовуючи принцип Гюйгенса, обчислюють розподіл поля на поверхні іншого дзеркала. Отримане розподіл приймають за вихідне і обчислення повторюється. Після багаторазових відображень розподіл амплітуди і фази поля на поверхні дзеркала прагне до стаціонарного значення, тобто поле на кожному дзеркалі самовідтворюється в незмінному вигляді. Отриманий розподіл поля являє собою нормальний тип коливань відкритого резонатора.

Розрахунок А.Фокса і Т.Лі базується на наступній формулі Кирхгофа, що є математичним виразом принципу Гюйгенса, яка дозволяє знаходити поді в точці спостереження А по заданому полю на деякій поверхні Sb

де Eb - поле в точці B на поверхні Sb; k- хвильове число; R - відстань між точками А і В; Q - кут між лінією, що з'єднує точки А і В, і нормаллю до поверхні Sb

(Рис.63).

Зі збільшенням числа проходів поді на дзеркалах прагне до стаціонарного розподілу, яке можна представити так:

де V (x, у) - функція розподілу, що залежить від координат на поверхні дзеркал, які не змінюється від відображення до відбиття;

у - комплексна постійна, не залежна від просторових координат.

Підставивши формулу (112) у вираз (III). отримаємо інтегральне рівняння

Воно має рішення лише при певних значеннях [Гамма] = [гамма мінім.] Званих власними значеннями, Функції Vmn, що задовольняють інтегрального рівняння, характеризують структуру поля різних типів коливань резонатора, які називають поперечними коливаннями і позначають як коливання типу ТЕМmn Символ ТЕM вказує на те , що водни всередині резонатора близькі до поперечних електромагнітним, тобто не мають складових поля вздовж напрямку поширення хвилі. Індекси m і n позначають число змін напряму поля уздовж сторін дзеркала (для прямокутних дзеркал) або по куту і вздовж радіуса (для круглих дзеркал). На ріс.64 показана конфігурація електричного поля для найпростіших поперечних типів коливань відкритих резонаторів з круглими дзеркалами. Власні типи коливань відкритих резонаторів характеризуються не тільки поперечник розподілом поля, але і розподілом його вздовж осі резонаторів, яке являє собою стоячу хвилю і відрізняється числом півхвиль, що укладаються по довжині резонатора. Для врахування цього в позначення типів коливань вводиться третій івдекс а, що характеризує число півхвиль, що укладаються уздовж осі резонатора.

Оптичні квантові генератори на твердому тілі

В оптичних квантових генераторах на твердому тілі, або твердотільних ОКГ, як активної що підсилює середовища використовуються кристали або аморфні діелектрики. Робочими частками, переходи меяду енергетичними станами яких визначають генерацію, як правило, є іони атомів перехідних груп Періодичної таблиці Менделєєва, Найбільш часто використовуються іони Na3 +, Cr3 +, Но3 +, Pr3 +. Активні частинки становлять частки або одиниці відсотка від загального числа атомів робочого середовища, так що вони як би утворюють "розчин" слабкої концентрації і тому мало взаємодіють один з одним. Використовувані енергетичні рівні являють собою рівні робочих частинок, розщеплені і розширені сильними неоднорідними внутрішніми полями твердої речовини. В якості основи активної що підсилює середовища використовуються найбільш часто кристали корунду (Al2O3), ітрієво-алюмінієвого граната YAG (Y3Al5O12), різні марки стекол і т.д.

Інверсія заселеність в робочому речовині твердотільних ОКГ створюється методом, аналогічним використовуваному в парамагнітних підсилювачах. Вона здійснюється за допомогою оптичного накачування, тобто впливом на речовину світлового випромінювання високої інтенсивності.

Як показують дослідження, більшість існуючих в даний час активних середовищ, іспользуемих- в твердотільних ОКГ, задовільно описуються двома основними ідеалізованими енергетичними схемами: трьох- і чотирирівневої (мал.71).

Розглянемо спочатку метод створення інверсіїзаселеність в середовищах, описуваних трирівневої схемою (см.ріс.71, а). У нормальному стані заселений лише нижній основний рівень 1 (енергетичне відстань між рівнями значно більше kT), так як переходи 1-> 2, і 1-> 3) належать оптичного діапазону. Перехід між рівнями 2 і 1 є робочим. Рівень 3 допоміжний і використовується для створення інверсії робочої пари рівнів. Він насправді займає широку смугу допустимих значень енергії, зумовлену взаємодією робочих часток з внутрікристалічної полями.

Для створення інверсії робоча речовина опромінюють інтенсивним світлом з частотним спектром, відповідним переходу між рівнями 1-> 3. З рівня 3 атоми переходять на рівень 2,. Цей перехід, як правило, є безізлучательним. Енергія при цьому йде на нагрівання робочого тіла. При достатній інтенсивності накачування на рівні 2. вдається отримати більше атомів, ніж їх залишається на основному рівні, тобто виникає інверсія населеностей для робочої пари рівнів.

В активних середовищах, описуваних чотирирівневої схемою (див .ріс. 71, б), перехід 3-2 є робочим, верхній рівень так само, як в трирівневої схемою, являє собою широку смугу. Другий рівень знаходиться від основного на енергетичному відстані, значно більшому kT. Тому при термодинамічній рівновазі він практично не заселений. Більшість часток, що потрапили на рівень 4, потім переходить безізлучательним шляхом на рівень 3, що при відповідних умовах призводить до інверсіїзаселеність для пари рівнів 3-2.

У чотирирівневої системі в порівнянні з трирівневої легше створити інверсію населеностей, так як нижній робочий рівень не заселений. Для цього необхідно перевести незначна кількість часток з основного рівня на верхній робочий. У трирівневої системи для отримання інверсії потрібно перекинути на верхній робочий рівень з основного принаймні половину частинок.

На ріс.72, а наведена схема ОКГ на твердому тілі. Вона включає оптичний резонатор, робоче тіло 1, лампу накачування 2 з відбивачем 3, систему її живлення і запалювання розряду. Оптичний резонатор утворений дзеркалами r1 і r2. Зазвичай в них використовуються багатошарові інтерференційні діелектричні відображають покриття, в яких показник заломлення змінно міняється від шару до шару. Шари наносять вакуумним напиленням або хімічним шляхом, вони мають товщину, рівну чверті довжини хвилі в діелектрику на робочій частоті. Зі збільшенням кількості шарів коефіцієнт відбиття зростає. При n = 15 і більше він перевищує 99%.

Іноді як відображають покриттів використовуються срібні плівки, але вони дозволяють отримувати коефіцієнт відбиття не вище 95-96% і на відміну від інтерференційних діелектричних покриттів мають велике поглинання, а тому часто вигорають в процесі роботи. Одне з дзеркал резонатора робиться напівпрозорим для виведення енергії. Коефіцієнт пропускання вихідного дзеркала вибирається так, щоб вивести з ОКГ максимальну енергію. При малому коефіцієнті пропускання буде виводитися лише незначна частка енергії з резонатора. У разі великого пропускання погіршуються умови збудження коливань. При деякому пропущенні вихідного дзеркала генерація зривається, оскільки не виконуються порогові умови. Оптимальний коефіцієнт пропускання, при якому виводиться максимальна енергія генерації, залежать від якості кристала, його довжини, енергії накачування. Оптимальне пропускання вихідного дзеркала для більшості твердотільних ОКГ складає 20-60%.

Робоче тіло виконують у формі стержня з добре обробленими торцевими поверхнями, що мають плоскопараллельную або сферичну форму. Точність відхилення обробки торцевих поверхонь від заданої форми лежить в межах десятих часток довжини хвилі. Паралельність плоских торців витримується з точністю до декількох кутових хвилин.

Іноді замість зовнішніх дзеркал використовуються відображають покриття, нанесені безпосередньо на торці робочого тіла. Бічна поверхня робочих стрижнів частково або повністю робиться матовою, щоб запобігти збудження типів коливань, що поширюються з відбиттям від бічних поверхонь.

Інверсія заселеність в робочому тілі створюється методом оптичної накачки. Як зазначено вище, порогова потужність накачування має величину до сотень ватів на кубічний сантиметр робочого речовини ОКГ. Настільки висока щільність потужності накачування призводить до сильного нагрівання робочих тіл ОКГ. Це викликає труднощі, часто непереборні, у реалізації безперервного режиму накачування твердотільних ОКГ. Тому ОКГ на твердому тілі, як правило, працюють в режимі одиночних або періодично повторюваних імпульсів. Джерелом накачування служать газорозрядні лампи. Найбільш часто використовуються імпульсні ксено-нові лампи, що володіють найкращою ефективністю перетворення електричної енергії в світлове випромінювання, спектральний склад якого відповідає лініям поглинання використовуваних активних середовищ.

Лампи конструктивно виконуються у вигляді прямої або свитою в спіраль трубки з введеними на кінцях електродами. Для ініціації розряду в лампах передбачається спеціальний внутрішній або зовнішній підпалює електрод. Лампи і робочий стрижень розміщують всередині відбивача, що забезпечує ефективність передачі світлової енергії накачування в активне середовище. При використанні спіральних ламп робоче тіло розміщується всередині них, а відбивач, що виконується у вигляді кругового циліндра, охоплює лампу.

Більш ефективні системи з прямими лампами і відбивачами у вигляді еліптичного циліндра (ріс.72, б), що забезпечує фокусування випромінювання ламп на робочий зразок. Для цього робоче тіло і лампи розміщуються вздовж фокусних осей циліндра. (Рис. 72, в ілюструє систему, в якій містяться кілька ламп і одне робоче тіло.) Настільки ж ефективною виявляється більш проста система, в якій лампа і активне тіло знаходяться поруч всередині вузького відбивача з круглим або овальним перетином. Відбивач виконується з срібною або алюмінієвої фольги. У конструкціях систем накачування дуже часто передбачаються охолодження робочого тіла і ламп шляхом обдування їх повітрям ахи обтікання хладоагентом.

Харчування ламп здійснюється від батареї конденсаторів Со (см.ріс.72, а), що заряджаються часто від мережі змінного напруги через підвищувальний трансформатор Тр. і випрямний елемент Д.. Нормальна напруга заряду конденсаторів повинно бути менше напруги самопробоя імпульсної лампи накачування. Запалювання розряду в лампі здійснюється подачею на поджігапщій електрод високовольтного ініціюючого імпульсу від керуючої схеми. На ріс.72, а остання складається з конденсатора С, що заряджається від мережі через діод Д2, тиратрона з холодним катодом і імпульсного трансформатора ТР1. При замиканні кнопки До тиратрон запалюється, конденсатор з розряджається через первинну обмотку трансформатора і на вторинній обмотці з'являється високовольтний імпульс.

Рубінові ОКГ

Були першими практично здійсненими оптичними квантовими генераторами. В даний час ОКГ на рубіні - найбільш поширені і широко використовуються в практиці. Це пояснюється наступними перевагами рубінових ОКГ: випромінювання відбувається в зручному спектральному діапазоні (у видимій області), забезпечується більша Енергія генерації, рубінові кристали легко отримати високої якості, вони мають високу міцність і не потребують охолодження Рубів являє собою кристал корунду Аl203, в якому частина іонів Al3 + заміщена тривалентними іонами хрому Сг3-Активними частинками, визначальними генерацію, є іони хрому. У ОКГ використовують кристали рожевого рубіна про масовою концентрацією Сr2О3 щодо Al2O3, приблизно рівної 0,05 маси що становить 1,6 * 1019іонов хрому в I см3.

На ріс.73 наведена система нижніх енергетичних рівнів іонів хрому. Вона суттєво відрізняється від системи рівнів вільних іонів, що пов'язано із взаємодією іонів з сильними

полями кристалічної решітки. Позначення рівнів, наведені на ріс.73, запозичені з теорії груп, яка використовується при розрахунку, і не пов'язані безпосередньо з прийнятими позначеннями рівнів вільних іонів. Робочим є перехід 2е-> 4А2. Стан 2Е є метастабільним. При кімнатній температурі його час життя складає близько 3 мс. Уровень2E насправді складається з двох підрівнів Е і 2А, розділених проміжком 29 см-1. Переходи з цих підрівнів в основний стан 4А2 відповідають лініям випромінювання світла R1 і R2 з довжиною хвилі 694,3 і 692,9 нм при температурі 300 ° С.

Рівень 4F2 складається з шести подуровней, які через неоднорідність кристалічного поля настільки розширені, що перекривають один одного, перетворюючи його в смугу. Рівень 4F1 також являє собою смугу (см.ріс.73).

Зазвичай генерація відбувається на R1 -лінії, для якої легше реалізуються порогові умови. Це пов'язано з тим, що між іонами, що знаходяться на підрівні Е і 2-4, відповідальних за лінії ^ і Rn, існує інтенсивний обмін. В результаті населеності подуровней Е і 2А встановлюються відповідно до закону Больцмана і нижній підрівень має велику населеність. Виникнення генерації на частоті R1 - лінії запобігає збудження генерації на R2-лінії, так як інтенсивні релаксаційні процеси викликають перехід іонів з 2A на Е і населеність рівня 2А не може досягти граничного значення.

Рубінові ОКГ працюють, як правило, в режимі разових і періодичних імпульсів. Є лише окремі розробки генераторів безперервної дії. Для рубінових ОКГ характерна тривалість імпульсів порядку мілісекунд, частота проходження зазвичай не перевищує сотні герц. Її обмежує нагрівання кристала і ламп накачування.

Важливою характеристикою імпульсного твердотільного ОКГ є порогова енергія накачування. Під нею розуміють мінімальну величину енергії харчування ламп за одну спалах, при якій виникає генерація. Порогова енергія накачування залежить від розмірів кристала, його температури, типу використовуваної лампи, конструкції системи накачування, добротності резонатора і т.д.

Зазвичай порогова енергія рубінових ОКГ складає десятки і coтні джоулів. Зі збільшенням енергії накачування енергія ОКГ обмежується можливостями системи накачування, розмірами кристала, його якістю, світловий міцністю дзеркал та іншими факторами.

У ОКГ з кристалом діаметром 2 см і довжиною 30 см генерируемая за імпульс енергія сягає десятків джоулів. При тривалості імпульсу ~ I мс пікова потужність генерації складає десятки кіловат. У ОКГ про модульованої добротністю (будуть розглянуті далі) імпульсна потужність сягає десятків і більше мегават. Коефіцієнт корисної дії, який визначається як відношення випромінюваної енергії ОКГ до споживаної ним електричної енергії, для рубінових ОКГ дорівнює одиницям відсотків. Малий ККД пов'язаний багато в чому з низькою ефективністю системи накачування. Використовувані в даний час імпульсні газорозрядні лампи накачування перетворять в світ близько 50% споживаної електричної енергії. Приблизно 30% світлової енергії ламп, тобто 15% електричної енергії, відповідає смугах поглинання рубіна. Оптична частина системи накачування забезпечує передачу в рубін приблизно 00% корисної енергії. Так що реально всього кілька відсотків витрачається електричної енергії йде безпосередньо на накачування рубіна.

ІІзлученіе рубінових ОКГ в залежності від часу має складний "пічковий" характер. У межах кожного імпульсу накачки зазвичай воно являє собою хаотичний набір різних за амплітудою годуючи, сплесків інтенсивності генерації з тривалістю і інтервалом між ними порядку мікросекунд.

На ріс.75 наведені осцилограми інтенсивністю накачування (а) і вихідного випромінювання (б).

На характер цього режиму впливають багато факторів, зокрема конфігурація резонатора, розподіл інтенсивності накачування за обсягом кристала, його температура, однорідність і т.д. Так, експеримент показує, що хаотичність пульсації випромінювання значно зменшується аж до регулярного проходження годуючи при використанні в ОКГ відкритих резонаторів, що характеризуються великим числом високо-добротних типів коливань (наприклад, резонатора з однаковими сферичними дзеркалами, розташованими на відстані, меншій їх подвоєного радіуса кривизни) . Отриманню режиму регулярних пульсації випромінювання сприяє також однорідний розподіл інтенсивності накачування в робочому кристалі і пониження його

температури.

Важливою характеристикою роботи ОКГ є картина розподілу поля по площі перетину вихідного пучка. Вона визначає діаграму спрямованості вихідного випромінювання. Мінімальна ширина діаграми спрямованості відповідає основному поперечному ТЕМ00qтіпу коливань. У разі використання плоских круглих дзеркал ширина діаграми спрямованості за рівнем половинної потужності для ТЕМ00qтіпа дорівнює Т = 0,63 Л / d радий (d - діаметр плями на дзеркалі; Л - довжина хвилі). При d = I см, Л = 0,6943 мкм Т = 4 «10 ~ 4рад, тобто приблизно 1,5 '. Практично ширина діаграми випромінювання для рубінових ОКГ перевищує величину, обчислену за цією формулою, раз в десять .Столь порівняно велика ширина діаграми спрямованості пов'язана з порушенням вищих типів коливань, оптичним недосконалістю реальних рубінових кристалів (наявністю в них центрів розсіювання та градієнтів заломлення по площі перетину зразка). Розподіл поля по площі дзеркала часто має вельми складну мозаїчну картину, яка в процесі генерації змінюється від Пічка до пічку.

Випромінювання рубінових ОКГ зазвичай частково йди повністю поляризоване. Поляризація випромінювання визначається анізотропією рубінових кристалів, і її характер залежить від кута орієнтації оптичної осі кристала щодо геометричної осі стрижня, уздовж якої поширюється світло в резонаторі. Зазвичай використовуються рубінові стрижні з орієнтацією осі 60 або 90 °. Випромінювання в ОКГ з такими стрижнями має лінійну поляризацію з електричним вектором, перпендикулярним площині, в якій лежать оптична вісь ж вісь стрижня. У ОКГ з кристалом 0-градусної орієнтації випромінювання неполяризованого.

Оптичні до вантові генератори на склі

Активованому неодимом, знаходять таке ж широке поширення, як рубіновие.Ето обумовлено достоїнствами скла: простотою виготовлення зразків великих розмірів (до декількох сантиметрів у діаметрі і довжиною до метра і більше), високою оптичною однорідністю, можливістю введення робочих частинок в необхідних концентраціях з рівномірним розподілом за обсягом.

Недоліком скла є низька теплопровідність, що ускладнює створення генераторів великої середньої потужності і обмежує його роботу режимом одиночних імпульсів.

Середня потужність в імпульсі генерації досягає одиниць мегават. Коефіцієнт корисної дії таких генераторів складає долі відсотка, їх вихідний випромінювання, так само як і у рубінових ОКГ, носить пічковий характер. Ширина спектру випромінювання при великих рівнях накачування досягає 20 нм. Випромінювання ОКГ на неодімовим склі неполяризованого. Це пов'язано з хаотичною орієнтацією іонів неодиму та оптичної однорідністю скла.

Кутова розбіжність вихідного променя ОКГ на неодімовим склі досягає зазвичай одиниць кутових хвилин, що значно менше величини розходження випромінювання рубінових ОКГ. Це обумовлено більш високою оптичною однорідністю скла.

Газові оптичні квантові генератори

У газових ОКГ, як випливає з назви, активної що підсилює середовищем є газ. Робочими частками, переходи між енергетичними станами яких визначають генерацію, служать атоми, іони або молекули. Відповідно до цього говорять про атомні, молекулярних та іонних ОКГ.

В даний час запропоновано безліч методів створення інверсії населенвостей в газових середовищах, іспользувдіх електричний розряд, енергію хімічних реакцій, оптичну накачування і т.д.

Найбільш часто інверсія в газових ОКГ здійснюється в результаті електричного розряду, створюваного безпосередньо в самій робочому середовищі. Основними механізмами, що приводять до надмірної населеності верхніх енергетичних рівнів в газорозрядних ОКГ, є наступні процеси:

I. Непружні зіткнення електронів з частинками газу (зіткнення першого роду), супроводжувані передачею кінетичної енергії руху електронів часткам, які переходять в збуджений стан. Символічно такий процес позначають

Співудару першого роду призводять не тільки до прямого збудженню, а й визначають ступеневу збудження частинок. Прі не-yupyl'іх зіткненнях електрона е з збудженої частинкою А * остання переводиться в більш високий енергетичний стан А **:

Процеси збудження частинок шляхом електронних непружних зіткнень першого роду відіграють основну роль у всіх газорозрядних ОКГ.

2. Зіткнення другого роду між різнорідними атомами суміші двох газів. При зіткненні атомів, один з яких - А * -знаходити у збудженому стані, а інший - В - в основному, відбувається передача збудження від першого атома до другого. При цьому спочатку збуджений атом переходить в основний стан, а партнер по зіткненню - в збуджений стан:

Цей процес відбувається ефективно лише у випадку, коли енергії збуджених станів взаємодіючих атомів збігаються з точністю до величин порядку kT (Т - температура газової суміші). Прикладом газового оптичного квантового генератора, в якому використовується механізм, описуваний формулою (122), є широко використовуваний гелій-неоновий ОКГ.

3. Неупрутіе атомно-молекудярние зіткнення, що приводять до дисоціації молекул з переходом одного з атомів в збуджений стан

На ріс.80 показано схематичне пристрій газового ОКГ. Він складається з двох основних частин: відкритого резонатора, утвореного дзеркалами 3 ^ і 3 ^, і газорозрядної камери, наповненою робочою сумішшю He-Ne.

Газорозрядна камера являє собою кварцову або скляну трубку (зазвичай довжиною від 1,5 + 2 дм до 1, & г2 м і діаметром до & т8 мм), з торців закриту плоскопараллельнимі оптичними вікнами, нахиленими під кутом Брюстера до осі трубки. Такі вікна мають пренебрежимо малі втрати енергії на відображення для хвилі, поляризованої в площині падіння, і практично унеможливлюють генерацію випромінювання, поляризованого в перпендикулярній площині.

Іноді дзеркала зміцнюють на кінцях газорозрядної трубки. Однак таке розташування дзеркал значно ускладнює конструкцію вакуумної частини ОКГ (необхідно використовувати сильфони для юстування дзеркал) і створює технічні труднощі для зміни дзеркал, зміни відстані між ними, введення в резонатор додаткових елементів (діафрагм, лінз і т.п.). Тому конструкції ОКГ з внутрішніми дзеркалами застосовуються рідко і головним чином тоді, кота необхідно отримати генерацію з довільною поляризацією випромінювання.

Газорозрядна трубка наповнюється робочою сумішшю гелію і неону із загальним тиском ^ -10 ^ Па. Перед напуском робочої суміші роблять ретельне відкачку з інтенсивним нагріванням трубки. Для усунення залишилися після відкачування і виділяються в процесі роботи газів перед отпайки в трубку вводять геттер зви але барій), активно поглинає кисень, водень, азот та інші гази, але не вступає в з'єднання з гелієм і неоном.

Дослідження показують, що посилення активного середовища в неоновому ОКГ невелике і становить кілька відсотків на метр (наприклад, для переходу 3s про -2рц з Л, = 0,6328 стоячи воно не перевищує А% на метр, для переходу 2Sn -2рц з Д = I, 152 мкм - 12%). Тому в резонаторах гелій-неонового ОКГ доводиться використовувати дзеркала з коефіцієнтом відображення, близьким до одиниці і відрізняється від неї на частки і одиниці відсотків. При-змінюються головним чином дзеркала з інтерференційними покриттями. Малий коефіцієнт посилення активного середовища накладає жорсткі вимоги на точність юстирування дзеркал резонатора. Так, у разі резонатора з плоскими дзеркалами непаралельність їх всього в декілька кутових секунд істотно позначається на вихідної потужності. Значно менше залежать від юстування Резо-іатори зі сферичними дзеркалами. Зазвичай поворот сферичних дзеркал від оптимального положення в межах декількох кутових хвилин мало впливає на величину вихідної потужності ОКГ. Тому в болишнстве газових ОКГ використовують резонатори з сферичними дзеркалами.

Для порушення газової суміші використовують або розряд на постійному струмі, або високочастотний розряд. У першому випадку в газорозрядну трубку, як показано на ріс.80, вводять електроди - катод Щ, анод ('?). Напруга живлення складає залежно від довжини розрядного проміжку величину від декількох сотень вольт до двох-трьох кіловольт, струм розряду - кілька десятків міліампер, Високочастотний розряд збуджується радіочастотним генератором з потужністю від десятків до сотень ват, напруга від якого підводиться до зовнішніх кільцевих електродів, що накладається на трубку.

Потужність генерації ОКГ залежить від парціальних тисків гелію і неону, розмірів газорозрядної трубки, від струму (потужності) розряду. На ріс.81 представлена залежність потужності генерації р від тиску гелію при різних тисках неона.Мощность генерації зростає із збільшенням парціального тиску гелію і неону, досягаючи максимуму при загальному тиску ,, близькому до 100 Па, і потім зменшується. Зростання потужності з тиском гелію пояснюється збільшенням концентрації його атомів, що знаходяться в мета-стабільному стані, що завдяки процесу резонансної передачі енергії атомам неону, описуваного формулою (123), веде до зростання інверсіїзаселеність робочого середовища і, отже, потужності генерації. При великих тисках газової суміші час вільного пробігу електронів знижується настільки, що вони не встигають достатньо прискоритися в електричному полі і придбати необхідну енергію. Тому ефективність збудження ато-мов зменшується. Потужність генерації істотно залежить від співвідношення парціальних тисків гелію і неону в газовій суміші. Як показують дослідження, для генерації на переході 3 $ ^ --- 2 / Dn с / I = 0,6328 мкм оптимальне співвідношення для неону і - гелію одно I: 5, а для переходу 25 ^ -2 ^ з Л- = 1 , 15 мкм воно дорівнює I: 10 при загальному тиску суміші близько 100 Па.

Важливим питанням отримання максимальної вихідної потужності є вибір оптимального діаметра газорозрядної трубки. З одного боку, збільшення діаметра трубки, а значить, і обсягу активного середовища повинно призводити до зростання потужності генерації. З іншого - надмірне збільшення діаметра трубки веде до зменшення інверсіїзаселеність робочої пари рівнів. Це пов'язано з тим, що в процесі генерації спустошення нижнього робочого рівня 2рь відбувається за допомогою каскадних переходів на ме-тастабільний рівень Is, з якого атоми повертаються в основний стан, головним чином під впливом зіткнень зі стінками трубки. Чим більше радіус трубки, тим більше час дифузії атомів неону до стінок, а значить, час їхнього життя в стані is. В результаті на рівні is скошуються атоми, звідки вони в результаті електронного збудження переходять у стан 2р і Зр, вміння інверсію населеностей. Експериментально встановлено, що для трубок довжиною I м оптимальний діаметр становить 7-8 мм. Для трубок меншої довжини він виходить відповідно менше.

На ріс.82 наведена типова для гелій-неонового ОКГ залежність вихідної потужності

^ ВихоттокаРварВД® I (потужності розряду). Характер цієї

Залежно повністю визначається механізмом збудження гелій-неонової суміші. Зі збільшенням розрядного струму зростає концентрація електронів в плазмі і збільшуються населеності всіх збуджених станів атомів гелію і неону, особливо 2s-і 35-станів, завдяки процесу, описуваного формулами

(123). Тому потужність генерації зі збільшенням струму зростає. У міру подальшого зростання струму зростання інверсії через інтенсивне заселення нижніх робочих

рівнів 2р і Зр в результаті процесу ступеневої збудження через метаотабіл'ний рівень Is, описуваного формулами

(124), починає сповільнюватися. При великих розрядних токах (> 100 мА) концентрація атомів неону в довгоживучих метаста-Більні стані is стає настільки високою, що ступеневу заселення рівнів 2р і Зр призводить до зменшення инверсной заселеності робочої пари рівнів, і потужність генерації падає.

Оптимальна величина струму розряду для різних ОКГ знаходиться в діапазоні 20 * 80 мА. Дослідження показують, що в оптимальному режимі питома потужність (потужність з одиниці довжини розрядної трубки) генерації становить 30 МВГ / м для переходу 3Sn-- 2pq (Л- = 0,6328 мкм), 50 мВт / м для переходу 25g -2рц (Л , = = 1,152 мкм) і 100 мВт / м для переходу За ^ - ЗРЦ (Л / = 3,394мій).

Коефіцієнт корисної дії гелій-неонового ОКГ складає долі відсотка. Такий низький ККД пояснюється малою квантової ефективністю робочих переходів атомів неону і недосконалістю процесу збудження їх. Квантова ефективність робочого переходу - це відношення енергії випромінюється фотона до енергії, яка повідомляється частці для порушення її до верхнього робочого рівня. Іншими словами, квантова ефективність показує, яка частка енергії, витрачена на збудження частинок, переходить в енергію генерації. Очевидно, що квантова ефективність робочого переходу визначає теоретичне граничне значення ККД ОКГ. Для атомев неону енергія верхнього робочого рівня становить 20 аВ, а енергія фотона генерації з Д = 0,6328 мкм дорівнює 2 еВ. Тому квантова ефективність т? Д "« 10 ?. Таким чином, в когерентне випромінювання може бути перетворено лише 10% загальної енергії, повідомленої атому.

З іншого боку, в процесі порушення атома Afe до верхнього робочого рівня ефективно можуть брати участь тільки ті електрони, енергія коториг перевищує 20 еВ. Так як в гелій-неонової плазмі найбільш аероятная енергія електронів складає 6 + 8 аВ, то для порушення верхнього робочого рівня використовується лише невелика частина енергії, що витрачається на підтримання газового розряду. Поатому ККД гелій-неонового ОКГ значно менше квантовпй ефективності і становить частки відсотка.

Спектр випромінювання гелій-неонового ОКГ складається з окремих. ліній, відповідних поздовжнім до поперечних типам коливань використовуваного відкритого резонатора. Загальна ширина спектра генерації визначається шириною лінії посилення активного середовища ОКГ. Лінія посилення активного середовища гелій-неонового ОКГ визначається ефектом Доплера, і її ширина Д- ^ у зростає із збільшенням інтенсивності накачування. Для переходу з Л / = 0,6328 мкм вона досягає 2000 МГц, для ^ = 1,152 мкм Ai) ^ »1000 МГц, для Л = = 3,394 мкм ДГ? ,, Йг400 МГц. При довжині резонатора I м в ОКГ може генеруватися на ^ = 0,6328 мкм до 10 + 12, на Л. = 1,] 5мкм - до 5-6 поздовжніх типів коливань.

Застосовуючи спеціальні методи селекції типів коливань (див. § 5 гл.17), можна отримати генерацію в неоновому ОКГ на одній частоті.

Аргоновий ОКГ. На відміну від атомних ОКГ, до яких відноситься розглянутий гелій-неоновий ОКГ і в яких використовуються переходи між збудженими станами атомів, в іонних ОКГ робочий перехід відповідає збудженим рівням іонів. Іонний ОКГ в даний час - один з найбільш потужних газових ОКГ, випромінювання яких лежить у видимій області спектра. Це пов'язано з особливостями структури енергетичних рівнів іонів і механізмом створення інверсіїзаселеність.

Інверсія населен- ностей в іонних ОКГ здійснюється газовим розрядом. Так як робочими частками в них є іони, то газова плазма розряду повинна бути Високоіонізоване. Тому в іонних ОКГ використовується дугового розряд, що відрізняється підвищеним ступенем іонізації.

Характерним представником іонних ОКГ служить аргоновий іонний ОКГ, найбільш вивчений і розроблений в даний час. Давно налагоджений їх промисловий випуск.

Розглянемо механізм збудження аргонових іонних ОКГ. На рис. 83 наведена спрощена діаграма нижніх станів іонів аргона.В основном.состояніі атом

Др має електронну конфігурацію fs ^ Ss ^ p-Ss-S ^ 6. Перше порушену

стан атома Аг відповідає перекладу одного з зовнішніх електронів на 4 д -Оболонки. При одноразовій іонізації виходить конфігурація iss-г, Sг-г.pGЗsг'Зp5, якої відповідають два рівня. Переклад одного з електронів з Зр -оболонки іона аргону на оболонку ^ дає п'ять енергетичних рівнів, а збудження електрона з Зр -оболонки на 4р -Оболонки веде до утворення 13 рівнів.

Генерація в аргонних ОКГ здійснюється на переходах між станами іона Аг '' 'з електронною конфігурацією Зр ^ 4р і З / ^ з. Інверсія населеностей забезпечується процесами ступеневої електронного збудження і різним часом життя верхніх і нижніх робочих рівнів. У аргоновою плазмі з великою ефективністю йде процес утворення збуджених атомів та іонів за допомогою електронних зіткнень:

Далі повторні зіткнення з електронами призводять до утворення збуджених іонів з електронними конфігураціями Зр ^ р і

Крім того, робочі рівні заселяються в результаті східчастих переходів через рівні станів іонів з електронною конфігурацією 3p ^ d і Зр ^ д (ця система рівнів на ріс.83 НЕ зображена).

Як показують дослідження, швидкість заселення верхніх і нижніх рівнів однакова. Інверсія населеностей утворюється лише внаслідок того, що час життя рівнів Зр ^ р приблизно в 25 разів вище, ніж час життя рівнів 3p ^ 4s. Нижні робочі рівні Зр ^ д спустошуються внаслідок спонтанних переходів в основний стан іонів з випромінюванням в ультрафіолетової вакуумної області. Найбільша інверсія населеностей виходить для переходів ^ р ^^ - * 4sг? ^.

На ріс.84, о. наведена схема аргонового ОКГ. Він відрізняється від гелій-неонового ОКГ лише конструкцією газоразряцной трубки. Як уже зазначалося, в іонних ОКГ використовується потужнострумовий дугового розряд, що забезпечує високу ступінь іонізації газу. Для генерації необхідна щільність струму розряду до декількох сотень ампер на I см ~. Розряд відбувається у вузькій капілярної трубці 3, охлаждаемой водою 1. Робочий тиск аргону в розрядному капілярі встановлюється в кілька десятків паокалей. Електроди трубки повинні бути розраховані на розрядні струми до сотень ампер і мати високу стійкість до електронної та іонної бомбардуванню. Анод Ч зазвичай охолоджують водою. Часто застосовують у таких ОКГ оксвдние катоди 5. Добре зарекомендували себе також імпрегновану катоди, що представляють собою пористу

вольфрамову губку, просочену алюмінатом барію або кальцію. Такі катоди володіють великою питомою емісією, що перевищує в багато разів оксвдние катоди. Вони не втрачають своєї емісійної здатності при багаторазових порушеннях вакууму в трубці.

При потужному дуговому розряді відбувається процес перекачування газу від анодного кінця трубки до катодного, в результаті чого утворюється перепад тиску і розряд гасне. Для вирівнювання тиску по довжині капіляра катодний і анодний колби з'єднують обвідним каналом 6, що забезпечує вільну циркуляцію газу.

Розрядний капіляр повинен витримувати високі теплові навантаження (сотні ват на квадратний сантиметр) і іонну бомбардування. Капіляр часто виконується з кварцу. Він термостійкий, має хороші електроізоляційні властивості і стійкий до ерозії. Виготовлення розрядних трубок з кварцу не представляє технологічних труднощів. Зазвичай використовують розрядні трубки діаметром до I5 + 20 мм і довжиною від 10 см до декількох метрів. Істотний недолік кварцу - мала теплопровідність. Вона дозволяє доводити щільність розрядного струму тільки до сотень ампер на I сі2в ОКГ безперервної дії. Кварцові капіляри поки не забезпечують тривалу роботу ОКГ при великих потужностях. Термін служби кварцових капілярів досягає декількох сотень годин. При щільності струму 500 А / см і більше кварцові капіляри практично непридатні для робота. У цьому випадку в якості матеріалу для розрядних капілярів використовують різну тугоплавку кераміку і анодований алюміній.

Розрядні капіляри з кераміки значно довговічніший, мають більш високу теплопровідність, ніж плавлений кварц.

Проблема створення стійких розрядних трубок для аргонових ОКГ в чому вирішується шляхом використання секціонованих розрядних трубок, що складаються з металевих шайб 7 тугоплавкого матеріалу (молібдену, танталу, графіту, кераміки з окису Беріл), розділених діелектричними ізоляційними кільцями 8 (з кварцу, гуми) (рис .84, (у). У ряді країн промисловістю випускаються ОКГ з капілярами з тугоплавких керамік і секціонованими розрядними трубками потужністю 3 + 10 Вт і вище. Термін служби їх досягає декількох тисяч годин.

Численні дослідження іонних аргонових ОКГ привели до оригінального вирішення проблеми створення дугового розряду високочастотними поляки. На ріс.85 наведена схема аргонового ОКГ з високочастотним харчуванням

Практично в більшості іонних аргонових ОКГ використовується накладення зовнішнього поздовжнього магнітного поля на розряд, що приводить до істотного збільшення потужності генерації. Магнітне поле створюється соленоїдами (див. ^ | На ріс.84, а) або постійними магнітами. Воно притискає розряд до осі трубки, .уве-личивает концентрацію електронів в центрі капіляра, зменшує потік заряджених частинок на його стінки. Останнє зменшує теплові навантаження на капіляр і збільшує тим самим термін його служби.Напряженность магнітного поля має величину порядку 10 ° А / м.

Важливе значення при експлуатації та розробки аргонових ОКГ має визначення їх оптимального режиму роботи, відповідного найбільшою вихідної потужності. Потужність генерації 'залежить від сили струму розряду, тиску газу, розмірів розрядного капіляра, величини напруженості магнітного поля і т.д.

На ріс.86 наведена залежність вихідної потужності ОКГ з розрядною трубкою діаметром 10 мм від тиску аргону при різних величинах розрядного струму. З малюнка видно, що існує оптимальний тиск, відповідне максимальної потужності. При малих тиском-ниях концентрація іонів незначна і потужність випромінювання виявляється невеликий. При великих тисках концентрація іонів велика, але мала довжина вільного пробігу електронів і, отже, мала їхня енергія. Це веде до зниження ефективності збудження іонів при зіткненнях з електронами, внаслідок чого інверсія, а значить, і потужність випромінювання получаютсянезначітельнимі. Величина оптимального тиску залежить від діаметру розрядної трубки. Вона росте зі зменшенням діаметру. Експериментально встановлено, що величина оптимального тиску ротвзавісімості від діаметра трубки d визначається при jd = 100 А / см (j - щільність струму розряду) співвідношенням Ропт = 6,5ct ~ ^, тут d виражено в сантиметрах. Для реально використовуваних трубок d = 0,1 + 1,5 см, ру ^ = 100 + 4 Па.

Потужність генерації при токах вище порогового значення зростає пропорційно квадрату сили струму. Квадратична залежність потужності від струму характерна для всіх аргонових ОКГ. Вона пояснюється ступінчастим процесом механізму возбуаденія іонів з основного стану атомів. Лише при дуже великій щільності струму ('> 1000 А / см ^) потужність випромінювання із збільшенням сили струму перестає рости, настає насичення і далі потужність зменшується. Однак такого режиму важко досягти через руйнування розрядних капілярів. Насичення потужності випромінювання з ростом оіди струму, по-ввдімому, пов'язане з ефектом полону випромінювання. Інверсія заселеність, як було вже показано, в аргонових ОКГ забезпечується в результаті спустошення нижнього робочого рівня 3 ^ 48 інтенсивними спонтанними переходами іонів в основне іонну стан. Спонтанне випромінювання, поширюючись в плазмі, частково поглинається НЕ-возбухденнимі іонами, що призводить до перекладу їх з рівня Зр ^ на рівень Зр44s. При великій концентрації іонів кожному спонтанного переходу Зр 4з - Зр відповідає акт поглинання, провідний до повернення іона в збуджений стан 3 ^ 45. Відбувається як би збільшення ефективного часу життя частинок в Зр ^ д-стан, що веде до зменшення інверсії насе-лінощів і, як наслідок цього, падіння потужності генерації. Питома потужність генерації поблизу режиму насичення досягає 2,5 Вт / см.

Великий практичний інтерес представляє залежність потужності генерації від діаметра розрядної трубки (ріс.87). З малюнка видно, що питома потужність генерації зростає зі збільшенням діаметра розрядної трубки. Тому для отримання великої потужності вигідніше використовувати розрядні трубки збільшеного діаметру (до 10 + 15 мм). Однак при цьому зустрічаються труднощі в отриманні рівномірного розряду по всій площі трубки, потрібні потужні катоди, що забезпечують великі струми емісії (до сотень ампер).

В даний час з трубками діаметром 10 + +15 мм в аргоновому ОКГ досягнута потужність генерації 500 Вт.

При створенні потужних аргонових ОКГ виникають істотні труднощі, пов'язані з розпиленням електродів і стінок розрядних трубок. Розпорошені частки, осідаючи на брюстерови вікна (або на внутрішні дзеркала), утворюють поглинаючий шар. В результаті абсорбції випромінювання в поглинає шарі відбувається термічна деформація оптичних елементів, що призводить до значної расходімості променя і падіння вихідної потужності. Поглинаючий шар на поверхні вікон і руйнування відображають шарів дзеркал резонатора полем випромінювання великої потужності є основними перешкодами, які обмежують зростання потужності аргонових ОКГ безперервної дії.

Істотний вплив на вихідну потужність аргонових ОКГ надає також аксіальне магнітне поле. Накладення поздовжнього магнітного поля призводить до спірального руху електронів та іонів навколо магнітних_сілових ліній, що знижує радіальну дифузію до стінок капіляра, збільшуючи концентрацію їх на осі трубки. Зменшення іонного бомбардування полегшує теплове навантаження на стінки розрядної трубки і збільшує термін її служби. Експериментальні дослідження показують, що із зростанням напруженості магнітного поля вихідна потужність ОКГ збільшується, досягаючи максимуму при деякому оптимальному значенні напруженості, а потім падає.

Ріс.88 ілюструє залежність потужності генерації від величини напруженості магнітного поля при різних тисках газу ОКГ з капіляром діаметром 4 мм, довжиною 28 см, при силі струму 30 А. Видно, що зі зростанням тиску ^ / опт зменшується. Величина оптимальної напруженості також залежить від сили струму і діаметра розрядного капіляра. З ростом сили струму і тиску hq "т зменшується. Оптимальна, величина напруженості магнітного поля лежить в діапазоні від декількох десятків тисяч до (2 * 3) - 1СГ3А / м. Дослідження показують, що падіння потужності генерації при полях напруженістю, більшою оптимальною, коли утворюється значна концентрація заряджених частинок на осі розрядної трубки, пов'язане головним чином з ефектом полону резонансного випромінювання і зростанням числа туша зіткнень іонів з електронами, що приводять до безвипромінювальної дезактивації верхніх робочих рівнів.

Як вже зазначалося, інверсія йаселенностей в дуговому аргоновому розряді забезпечується для систем рівнів, що відповідають електронним конфігурацій Зр 4р і Зр4S іонів аргона.Потому при виконанні порогових умов в аргоновому ОКГ мехвт виникнути генерація когерентного випромінювання на цілому раді переходів цієї системи рівнів.

У аргонових ОКГ генерація наблідается на багатьох довжинах хвиль, що лежать в межах від фіолетової (450 нм) до зеленої (530 мн) області. Найбільш інтенсивна генерація йде на лінії 488 нм, що відповідає переходу ^ pгDocln - ^ s ^ Pw - Незначно їй поступається за інтенсивністю генерація на переході ^ Р ^ ю- - Чв ^^ з довжиною хвилі 514,5 нм. У лініях 488 і 514,5 нм може полягати відповідно до 45 і У?% Загальної потужності генерації. Для цих ліній забезпечуються найбільші величини інверсіїзаселеність і відповідно великі коефіцієнти підсилення. Вимірювання підсилення для ОКГ з капіляром 0,5 см при тиску 10 Па і щільності струму 600 А / см для переходу про А, = = 488 нм дає величину I3-IO "3см" 1, для переходу з A = 5I4,5i »i -приблизно 3,6-Ю "3см" 1.

Наступною за інтенсивності після ліній 488 і 514,5 нм є лінія 496 або 476 нм, на яку припадає близько 6% повної вихідної потужності. При невеликих перевищеннях струму над граничним значенням генерація відбувається на переході ^ Р ^ то --- ^ - ^ м. Лінія посилення має доплеровское уширение, і повна ширина спектра генерації досягає 10 ГГц, перевищуючи ширину спектра Ні-Ne ОКГ в 4-5 разів. Останнє пояснюється, по-перше, тим, що робочі частинки в аргонової плазмі мають значно більшу швидкість, ніж атоми неону в суміші Ні-Me, і, по-друге, більш високим надлишковим посиленням (перевищенням посилення над втратами в резонаторі). Для забезпечення генерації на окремих переходах з системи робочих рівнів електронних конфігурацій Зр 4р і 3p-4s необхідне використання селективних елементів в ОКГ (призм, дифракційних решіток).

Оптичний квантовий генератор на вуглекислому газі

Відноситься до групи газових лазерів, в яких використовуються переходи між колебательно-обертальними станами молекул. В даний час здійснена генерація на кодебательно-врашательних переходах багатьох молекул: СО, ti ^ O, НУО, СО ^ і т.д. Кращі результати отримані з ОКГ на COq. Вони є найпотужнішими з усіх газорозрядних ОКГ, що працюють в безперервному режимі, і мають високий коефіцієнт корисної дії, що досягає 20 т 30%.

Розглянемо механізм створення інверсіїзаселеність в ОКГ на вуглекислому газі. Інверсія наоеленностей в таких ОКГ здійснюється за допомогою газового розряду. Перш ніж розглядати питання про механізм генерації, наведемо деякі дані про молекулу СО ^ і її рівнях. Молекула COn - лінійна симетрична молекула. Вона має три нормальних типу коливань: валент-ве полносімметрічное (^), деформаційне (^) і валентное антисиметричною (^ д) (ріс.89). Деформаційні коливання є двічі виродженими, оскільки коливання з однією і тією ж частотою можуть відбуватися в двох ортогональних площинах, що проходять через вісь молекули. Коливальний стан молекули описується трьома квантовими числами і,, Vn і ^ з - кожне з яких представляє число збуджених квантів колебанійг>! '^ 2. - "^ З - Відповідні рівні позначаються комбінацією квантових чисел (^, і ^, v ^). Квантове число t, що записується. У вигляді індексу, обумовлене дворазовим виродженням деформаційного -

коливання. Воно приймає значення ^ "1 ^, 0 ^ -2, ..., О для парних і, і I« Do, Uo-1, ..., 1 Для непарних і визначає значення моменту кількості руху Р ^ = / г. ^ / (2Х), пов'язаного з коливаннями в спрямованого уздовж осі молекули. Рівні з Ь = 0 є невиродженими, з Ь> 0 - двічі виродженими. При і,> I внаслідок ангармонічності коливань СО ^ виродження знімається. На ріс.90 дана схема нижніх коливальних рівнів молекул СОП.

Для ефективного заселення верхнього робочого рівня молекул СО в в робочу трубку ОКГ вводять азот..Так як Ng - двухатомная молекула, то вона має тільки одну коливальну ступінь свободи. Її коливальна енергія визначається квантами енергії, зумовленими коливаннями атомів уздовж осі молекули. Відповідно коливальні рівні енергії молекули азоту описуються одним коливальним квантовим числом v. На ріс.90 наведена також система нижніх коливальних рівнів молекул No. Вельми примітно те, що енергія першого збудженого коливального рівня молекули Nn майже дорівнює енергії рівня (00 ° 1) молекули Сор. Різниця енергії станів (00 ° 1) молекули Сор і (о = 1) молекули Nn складає всього 0,0023 еВ.

Генерація в ОКГ на СО ^ здійснюється на переходах (DO0!) - (П ^ О) і (00 ° I) - (02 ° 0). Найбільш інтенсивна генерація йде на переході (00 ° 1) - (ГС ° 0) з довжиною хвилі близько 10,6 мкм, яка пригнічує майже повністю генерацію на довжині хвилі 9,6 мкм (00 ° 1) -. (02 ° 0) .

Збудження верхнього робочого рівня (00 ° 1) обумовлено декількома процесами. Основний процес збудження пов'язаний з непружними зіткненнями молекул N ^ з СО ^, що веде до резонансної передачі коливальної енергії від молекул азоту до молекул вуглекислого газу:

У газовому розряді електронні зіткнення призводять до ефективного утворення колебательно-збуджених молекул Nn (v = I) (до 30% загального числа молекул Nn). Так як молекула азоту складається з двох однакових атомів, то її дипольний момент дорівнює нулю, тому дипольне випромінювання відсутнє і руйнування порушених коливальних станів відбувається тільки в результаті зіткнень. Внаслідок майже повного збігу рівнів енергії першого коливального рівня {і = I) молекул No й рівня (00 I) Сор зіткнення збуджених молекул No з молекулами СОП, що знаходяться в основному стані, ведуть до селективного заселенню верхнього робочого рівня (00 I) СО ^.

Істотну роль у заселенні верхнього робочого рівня відіграє резонансна передача коливальної енергії від молекул СО молекулам Сор. У газовому розряді завдяки дисоціації молекул СОО утворюється значна кількість молекул СО, які при зіткненнях з електронами інтенсивно переводяться в колебательно-збуджений стан. Перший збуджений коливальний рівень молекули СО майже збігається з верхнім робочим рівнем (00 Г) молекул Сор. Завдяки цьому відбувається процес резонансної передачі коливальної енергії від молекул СО (так само, як від молекул Nn) молекулам СОР:

Цей процес - один з основних у заселенні верхнього робочого рівня ОКГ на чистому Сор.

Верхній робочий рівень (00 ° 1) додатково заселяється завдяки процесу непружного зіткнення молекул двоокису вуглецю і електронів:

з- (тов) + е - зі (оо ° Пло-скопараллельние пластини брюстеровскіх вікон (.5) газорозрядних трубок роблять з NuCL, KCL, Ge, SL, -Прозорість в області 9 + 11 мкм. Використовують дзеркала з металевими або інтерференційними діелектричними відбивають покриттями. Підложки дзеркал для ОКГ невеликої потужності (порядку I Вт) робляться з кварцу. Найкращим матеріалом при високих рівнях потужності для підкладок дзеркал і для брюстеровскіх вікон є іртрай, що представляє собою пресований полікристал ZnSe. Для виведення випромінювання з ОКГ в дзеркалах з металевими відображають покриттями робиться невеликий отвір "- вікно (діаметром кілька міліметрів). Коефіцієнт пропускання вихідних дзеркал з діелектричними покриттями має величину 10 т 30%.

Разрад в робочій суміші газів супроводжується дисоціацією і зміною вихідного складу газу. Тому дуже часто, особливо в потужних ОКГ, використовується безперервна прокачування газу (б) через розрядну трубку.

Розглянемо основні характеристики ОКГ на COg. На ріс.92 показана залежність вихідної потужності від сили струму розряду паї різних давленяях СОП для ОКГ з відпаяти трубкою довжиною I м і діаметром 10 мм. Спочатку потужність зростає разом зі струмом, а потім падає. Така залежність пояснюється конкуренцією двох факторів. Збільшення концентрації електронів, про одного боку, веде до зростання швидкості збудження молекул СОП на рівень (00 ^ 1), а з іншого, - підвищує газову температуру, що збільшує ^ швидкість руйнування антісімме-- тричного коливань молекул.

Значне збільшення потужності генерації досягається додаванням до СО ^ азоту.

Ріс.93 ілюструє вплив введення азоту в розрядну трубку на потужність і ККД ОКГ на СОП - При додаванні азоту завдяки резонансної передачі коливальної енергії від молекул Nn антисиметричного типом коливань СОО інверсія населеностей. а отже, і потужність ростуть. Однак у міру введення N ^ підвищується температура газу, що призводить до збільшення швидкості релаксації рівня (00 ° 1), зменшенню його заселеності, а також зростанню населеності нижнього лазерного рівня (Ю ° 0). Тому інверсія населеностей знижується і потужність падає.

Істотний вплив на енергетичні характеристики ОКГ на COp-Nn робить введення в розрядну камеру гелію (ріс.94) 1 Гелій, володіючи теплопровідністю, у кілька разів перевищувала теплопровідність сов ^ і Nn, знижує газову температуру, що сприяє збільшенню інверсної населеності, а значить, і вихідної потужності. Крім того, з введенням в розряд гелію віз

розтане збудження коливальних рівнів молекул СО, Мд і СО. Однак при великих парціальних тисках гелію в газовій суміші потужність генерації падає, тому що зменшується населеність верхнього лазерного рівня (00 °!) Через релаксації антисиметричних коливань молекул СОР при зіткненнях COn-He. Потужність генерації також підвищується при введення в розряд парів води.

Оптимальний склад робочої суміші газів в ОКГ на СОР залежить від розмірів розрядної трубки, температури її стінок, швидкості прокачування суміші і т.д. Зазвичай використовуються суміші вугіллі

кислого газу, азоту і гелію в співвідношенні 1: 1 + 5: 3 * 8 при загальному тиску порядку I03Па. Питома потужність генерації досягає I Вт на I см розряду газової суміші. Типовий ОКГ на вуглекислому газі при довжині розрядної трубки 200 см дає безперервну потужність близько 150 Вт. Збільшення довжини розрядної трубки веде до приблизно пропорційного зростання потужності. Таким шляхом вдається створити ОКГ на вуглекислому газі з вихідною потужністю більше I кВт. На унікальній установці з довжиною розрядного каналу ВО м була отримана потужність генерації близько 9 кВт. *

'®®ЎйҐЁҐ Ї® ¬Ґв®¤ЁЄ дЁ§ЁзҐбЄ®Ј® нЄбЇҐаЁ¬Ґв

Џѓ "Ё¬. '.ѓ.? ҐўзҐЄ® Ј.' Ёа бЇ®« м

ЋЏ '€ - ...' С ™ € ... Љ,ЂЌ'Ћ,> ... ѓ ... Ќ ... ђЂ'Ћђ>
Релятивістська причинність
Міністерство Освіти Російської Федерації Тульський Державний Університет Кафедра фізики реферат Релятивістська причинність Виконав: студент групи 520331 Нікітін Іван. Перевірив: Жарков Р.В. Тула 2003 Зміст Введення 2 Концепції причинності 3 Характеристика релятивістської концепції причинності

Результати експериментальної оцінки ефективності застосування баллиститного ракетного палива як сенсибілізатора в емульсійних ВР
С.А.Семенов (МДГУ, фізико-технічний факультет, група ГФ-2-96) Результати експериментальної оцінки ефективності застосування баллиститного ракетного палива як сенсибілізатора в емульсійних ВР Введення. В даний час в гірничодобувній промисловості широко використовуються тротил ВВ. Застосовувані

Реактивний двигун
РЕФЕРАТ РЕАКТИВНИЙ ДВИГУН Виконав: Мірошників Семен. Фізична основа теплового двигуна Здійснення механічної роботи в сучасних машинах і механізмах в основному відбувається за рахунок внутрішньої енергії речовин. Тепловий двигун - пристрій, що перетворює внутрішню енергію палива в механічну

Розрахунок рекуперативного теплообмінника газотурбінного двигуна
ЗМІСТ. Реферат... 2 ЗАДАНИЕ... 3 ВВЕДЕНИЕ... 4 1. Цілі і завдання курсової работы... 4 ТЕПЛОВОЇ РОЗРАХУНОК Протиточний рекуперативним ТЕПЛООБМІННИКА ... 5 1.Визначення масових секундних витрат теплоносителей... 5 2.Визначення температурних умов роботи теплообменника... 5 3. Визначення коефіцієнтів

Розрахунок і проектування установки для отримання рідкого кисню
Санкт-Петербурзький державний Університет низькотемпературних і харчових технологій. Кафедра кріогенної техніки. Курсовий проект з дисципліни «Установки зрідження і розділення газових сумішей» Розрахунок і проектування установки для отримання рідкого кисню. Роботу виконав студент 452 групи

Розвиток засобів зв'язку
У сучасному світі існують різні засоби зв'язку, які постійно розвиваються і удосконалюються. Навіть такий традиційний вид зв'язку як поштове повідомлення (доставка повідомлень в письмовому вигляді) зазнав істотних змін. Ця інформація доставляється по залізницях і літаками взамін старовинних

Прямий цикл Карно і теплова ізоляція
Дніпропетровський Державний Технічний Університет Залізничного Транспорта.Кафедра: «Теплотехніка» ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ На тему: «Прямий цикл Карно», «Теплова ізоляція» Виконав: студент 427 группиАстраханцев Дмитро Прийняв: Доц. Арештів А.П.Днепропетровск 1998 Прямий цикл Карно. Як відомо, всі

© 2014-2022  8ref.com - українські реферати