3. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ ОПТИЧЕСКОГО И ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНОВ

Квантовый генератор оптического и инфракрасного диапазонов

(ОКГ) представляет собой резонатор Фабри-Перо с помещенным в него веществом в состоянии с отрицательной температурой. В зависимости от используемого активного вещества (твердое тело, газ) для получения отрицательных температур применяются различные методы. Если активным веществом является твердое тело, используется метод оптического возбуждения. Обычно в этом случае активное вещество представляет собой кристалл, содержащий примеси люминесцирующих атомов. Ширина спектральной линии должна быть достаточно малой. Помимо высокого выхода люминесценции и возможно большей длительности возбуждения, активное вещество должно иметь хорошие оптические свойства и незначительное поглощение света в области длин генерируемого излучения.

Рис. IV.8. Схема расположения уровней: а — в трехуровневой системе; б — в четырехуровневой системе

Естественно, что вещество должно обладать подходящим числом уровней энергии (иметь, по крайней мере, три или четыре уровня). При оптическом возбуждении в трехуровневой системе (рис. IV.8, а), используя вспомогательный некогерентный источник возбуждения, достигают инверсной населенности второго уровня превосходящей пороговую величину. При этом мощность подсветки, поглощаемая активным веществом, будет

где V — объем образца;

— вероятность перехода частицы с уровня на уровень

В четырехуровневой системе (рис. IV.8, б) для создания необходимой разности населённостей уровней требуется возбудить значительно меньшее число частиц, чем в трехуровневой системе.

В этом случае

где — общее число частиц;

— время жизни частиц на уровне.

При равных временах жизни метастабильного состояния четырехуровневая система примерно в раз экономичнее трехуровневой.

Вследствие того, что для подсветки используются источники — лампы, имеющие широкий спектр излучения, рационально иметь вещества с достаточно широким уровнем Мощности, необходимые для оптического возбуждения, легче всего достигаются при применении импульсных ламп. Поэтому большинство ОКГ на твердом теле работают в импульсном режиме.

Отрицательные температуры в однородном полупроводнике могут быть получены при межзонных переходах методом возбуждения импульсами электрического тока.

Рис. IV.9. Схема ОКГ на рубине: 1 — трубка охлаждения; 2 — кристалл рубина; 3 — импульсная лампа; 4 — источник питания

Другим методом получения состояний с отрицательной температурой является инжекция неравновесных носителей тока через переход вырожденных полупроводников при приложении к образцу внешнего напряжения, создающего ток в переходе в прямом направлении. При таком методе возбуждения не требуются высокие напряженности электрического поля (необходимо всего несколько вольт на 1 см). При этом ОКГ может работать в непрерывном режиме с к. п. д., близким к 100%. Кроме указанных выше методов, отрицательные температуры в полупроводниках можно получать методом оптического возбуждения и возбуждения электрическим пучком.

В настоящее время разработано большое количество ОКГ на твердом теле, газовых, жидкостных и полупроводниковых ОКГ.

Схема ОКГ на рубине приведена на рис. IV.9. Для оптического возбуждения используются полосы поглощения 4700 и 5600 А, длина волны генерируемого излучения 6943 А. В качестве активного вещества служат кристаллы, вырезанные в форме цилиндра со строго параллельными отполированными торцами. На торцы наносятся зеркальные слои или используются внешние зеркала. Слой, нанесенный с одной стороны, частично пропускает излучение — выходящий пучок. Возбуждение производится с помощью мощной импульсной ксеноновой лампы, помещенной в специальный кожух с отражающими стенками. Для получения вспышки лампы используется разряд конденсатора емкостью до 1000 мкФ,

заряженного от высоковольтного источника постоянного напряжения

Рубиновый ОКГ потребляет от 100 до нескольких тысяч джоулей энергии за одну вспышку. Порог генерации составляет от 50 Дж до нескольких килоджоулей. Энергия генерации за время одного импульса подсветки составляет от 0,01 до 10 Дж и более. Энергия, генерируемая ОКГ, излучается в пределах небольшого угла, а расходимость луча составляет (для плоских зеркал) или 5—6° (сферические зеркала).

Кроме ОКГ на рубине, в настоящее время разработаны ОКГ, в которых в качестве оснований используются флюориты стекло, и другие кристаллы, а активных атомов — атомы хрома, лантаноидов, урана [7].

Используя активное вещество обычного ОКГ, излучающего на какой-либо частоте, можно получить генерацию в режиме импульсной добротности путем включения в резонатор регенеративной мощности.

Интенсивные регулируемые импульсы света, названные «гигантскими», получаются в результате того, что в течение оптического возбуждения зеркала закрываются специальным затвором и не происходит генерации. В момент, когда населенность уровня достигает своего максимального значения, затвор мгновенно открывается, происходит скачкообразное улучшение добротности; за очень короткое время нарастает импульс излучения большой мощности. Продолжительность импульса составляет до 12 не, мощность импульса до 1013 Вт.

Наряду с ОКГ на твердом теле широкое распространение получили газовые ОКГ. Они имеют самую высокую монохроматичность и направленность излучения по сравнению с ОКГ на твердом теле и полупроводниковыми ОКГ [3]. Газовые ОКГ позволяют работать с одним типом колебаний, они могут стабильно работать в течение длительного времени. Спектральная область, в которой генерируют газовые ОКГ, простирается от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области (0,76 мм). Недостаток таких ОКГ — низкое к. п. д. Так, к. п. д. современных газовых ОКГ не превышает 0,001.

Кроме инертных газов, в видимой и ближней инфракрасной областях генерируют галогены, бром, йод (как нейтральные атомы, так и ионы первого порядка), а также хлор и Получена генерация и созданы ОКГ на Эти ОКГ излучают энергию в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях.

В последние годы получена генерация на линиях, относящихся к молекулярным переходам. Подобные ОКГ генерируют излучение на линиях, относящихся к колебательно-вращательным полосам и (область генерации ; к. п. д. до 20%). Созданы генераторы на молекулах воды (область генерации ).

Газовые ОКГ работают в непрерывном или импульсном режимах генерации с большой плотностью тока. Выходная мощность некоторых ОКГ в непрерывном режиме достигает более а работающих в импульсном режиме — миллионов ватт. Рассмотрим принцип работы газового ОКГ на смеси Не и генерирующего в непрерывном режиме. ОКГ состоит из плоскопараллельного интерферометра Фабри-Перо с расстоянием между зеркалами содержащего кварцевую трубку длиной 600 мм с внутренним диаметром 15 мм. Плоские зеркала установлены строго параллельно, точность плоскости зеркала составляет 0,01 мкм, угол между зеркалами не более коэффициент отражения 99%. Конструкция ОКГ приведена на рис. IV. 10.

Рис. IV. 10. Схема ОКГ на смеси газов неона (Ne) и гелия (Не): 1 — винт юстировки вертикального угла; 2 — отражающее зеркало; 3 — электроды; 4 — винт юстировки горизонтального угла; 5 — выходное окно; 6 — высокочастотный генератор возбуждения

Разряд в газе возбуждался с помощью внешних электродов на частоте 27 МГц, мощность (давление Не — 1 мм рт. ст., мм рт. ст.). ОКГ на смеси Не и генерирует на длине волны 1,153 мкм. Возможна также работа ОКГ при соответствующем подборе режимов на других длинах волн мкм, Генерация происходит на различных типах колебаний, ширина полосы в каждом типе Стабильность генератора составляет 20 Гц за несколько секунд. Достигнутые мощности излучения — 15 мВт. Для генератора с диаметром разрядной трубки 8 мм, с длиной резонатора и длиной разряда при давлении смеси 1,2 мм рт. ст. получена выходная мощность 100 мВт. Расходимость пучка составляет

Газовый ОКГ, генерирующий в непрерывном режиме и дающий большую выходную мощность (более 60 кВт), на длине волны 10,6 мкм возбуждается путем передачи энергии колебаний молекул азота молекулам углекислого газа Молекулы азота возбуждаются электрическим разрядом. Оба газа непрерывно протекают через зону взаимодействия, где происходит генерация. Следует отметить, что излучение этого ОКГ находится в «окне прозрачности» атмосферы 8—13 мкм.

Характерной особенностью полупроводниковых ОКГ является непосредственное превращение электрической энергии в энергию когерентного светового излучения (к. п. д. такого преобразования превышает 50%), а также возможность получения модулированного светового потока путем простой модуляции тока в полупроводнике. Выходная мощность полупроводниковых ОКГ, работающих в режиме непрерывной генерации при температурах между 4 и 20 К, достигает десятков ватт, и излучение может быть промодулировано с частотой до 11 ГГц.

При работе в импульсном режиме мощность полупроводниковых ОКГ достигает свыше 200 кВт. При этом следует иметь в виду также и то, что полупроводниковые ОКГ имеют незначительные габаритные размеры и массу [2].

В жидкостном ОКГ активное вещество (например, нитробензол, дающий комбинационное рассеяние) облучается пучком света ОКГ на рубине, который и вызывает когерентное излучение жидкости. К. п. д. такого ОКГ составляет 50%. Жидкостный ОКГ дает хорошо коллимированный когерентный луч с длиной волны, близкой к длине волны рубинового ОКГ.