1.14. Потери энергии в квантовом генераторе

Коэффициент полезного действия оптического квантового генератора представляет собой отношение энергии, поданной в блок питания (в случае оптической накачки — энергии, запасенной в конденсаторах), к энергии излучения. К. п. д. современных квантовых генераторов на твердом теле невысок. Он составляет около 5% Для лучших четырехуровневых систем (иттрий-алюминиевый гранат с гольмием или с эрбием, туллием, иттербием, стекло с неодимом). Выясним, на что же расходуется более 95% энергии, запасенной в конденсаторах системы оптической накачки. Прежде всего эта энергия поступает на импульсные лампы системы накачки, в которых на вспышку используется лишь 50%. Следовательно, потери на лампах составляют около 50%.

Энергия вспышки концентрируется отражателем на рабочем стержне активного вещества, при этом потери составляют около 50—75% энергии вспышки, что соответствует 25—35% общей энергии, поданной в блок излучения.

Излучение вспышки, сконцентрированное отражательной системой на кристалле активного вещества, используется далеко не полностью, так как спектр вспышки, как правило, значительно шире спектральных линий поглощения атомов активатора. Эти потери вследствие несогласования спектров источника накачки и линий (или полос) поглощения активного вещества составляют 20—30% энергии вспышки, сконцентрированной на кристалле (для рубина 30%, для стекла с неодимом около 20%), что соответствует 5—7% общей энергии.

Энергия, поглощенная рабочим активным веществом на спектральных уровнях накачки атомов активатора, расходуется не только на рабочие переходы с вынужденным излучением, но и на

различные безызлучательные переходы (например, между основными и вспомогательными уровнями), на спонтанное излучение и т. д. Эти так называемые стоксовы потери составляют около 50% энергии, поглощенной активным веществом, что соответствует 10% общей энергии.

Все рассмотренные до сих пор потери составляют потери энергии до возникновения излучения в активном веществе, но энергия вынужденных излучательиых рабочих переходов не полностью используется на испускание мощного когерентного пучка света.

Часть энергии вынужденного излучения расходуется на потери при отражении на зеркалах и дифракционные потери (см. предыдущий параграф). Эти потерн составляют около 5%.

Другая часть энергии расходуется при прохождении вынужденного излучения через кристаллический стержень активного вещества вследствие поглощения и рассеяния излучения на оптических неоднородностях активной среды. К этим «внутренним потерям» относятся потери за счет собственного поглощения излучения кристаллической решеткой основы, примесного поглощения (вследствие колебаний примесных атомов, различных загрязнений и т. д.) и поглощения или рассеяния энергии излучения на различных включениях: частицах, коллоидах, пустотах и др. Таким образом, «внутренние потери» — это потери за счет несовершенств кристаллической среды.

Они невелики по сравнению с предыдущими видами потерь и составляют всего около 3—5%, но именно они характеризуют эффективность работы прибора и приводят к необходимости повышения энергии накачки. Например, для возбуждения рубинового стержня диаметром 5 мм и длиной 50 мм достаточна энергия накачки 5 Дж. Однако с учетом всех потерь необходима энергия накачки около 500 Дж.