Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [ 25 ] 26 27 28 29 30

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

§ 10.1. МОНО.ХРО.ПАТИЧНОСТЬ и КОГЕРЕНТНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ

Монохроматическим является гармоническое колебание, например, такого вида:

a(t)=Asm{wJ + <p ), (10.1)

где амплитуда А, частота too и начальная фаза фо - величины постоянные, а время t изменяется в пределах от -оо до -f со. Спектр монохроматического колебания определяется единственной линией на частоте соо шириной Л(о = 0.

Строго монохроматических колебаний в природе не существует. Оптическое излучение физических тел представляется либо дискретными спектральными линиями конечной ширины, либо относительно большим участком сплошного спектра.

Для создания помехозащищенных систем связи особый интерес представляют источники, излучение которых является почти монохроматическим. С этой точки зрения качество источника можно оценить степенью монохроматичности излучения р:

p=Ao)/u)o. (10.2)

где 0)0 - центральная частота линии; Ato - ширина линии, взятая на уровне половинной мощности.

Строго монохроматическое излучение характеризуется значением р = 0, если же .р<С'1, то излучение почти монохроматическое (квазимонохроматическое).

Обычные источники излучения оптического диапазона, например лампы накаливания и газоразрядные лампы, обладают весьма широким спектром. Это происходит потому, что полное излучение тела определяется суммарным вкладом элементарных осцилляторов - атомов и молекул. Осцилляторы распределены в пространстве, размеры которого во много раз превышают длину излучаемых волн. При отсутствии механизма индуцированного излучения осцилляторы не связаны между собой, и суммарное излучение не мо-нохроматично.

В оптических квантовых генераторах (ОКГ) используется индуцированное излучение, при котором излучения отдельных осцилляторов связаны. В принципе, из любого широкого спектра можно выделить монохроматическую составляющую, пропустив излучение через спектральный прибор, содержащий диспергирующий элемент (призму, дифракционную решетку) или оптический фильтр. Однако мощность выделенного излучения и кпд установки будут очень малыми. Степень монохроматичности, достигаемая с помощью лучших спектральных приборов, составляет примерно 10-. Газовые ОКГ. работающие в так называемом одночастотном режиме, обла-

дают степенью монохроматичности порядка 10-°. Мощность излучения ОКГ может быть доведена до очень высокого уровня - киловатт в непрерывном режиме и сотен-тысяч мегаватт в импульсе.

Таким образом, ОКГ является в настоящее время единственным источником мощных монохроматических колебаний оптического диапазона. Вся излучаемая ОКГ мощность сосредоточена в одной илп нескольких чрезвычайно узких спектральных линиях.

С монохроматичностью излучения тесно связано понятие когерентности. Под когерентностью понимают согласованность, или связь, между фазами колебаний в одной точке пространства в различные моменты времени (временная когерентность) или между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени (пространственная когерентность). Рассмотрим временную когерентность. Пусть в некоторой точке пространства суммируются два почти монохроматических колебания одной частоты:

1(0 = 4(0 sin[(Oo + 9i(0l;

[fl2(/)=A(0sin[(Oo/-f ф2(/)),

причем амплитуды и начальные фазы меняются по случайному закону.

Колебания называются когерентными во времени, если разность фаз <p\{t)-ф2(0-величина постоянная. При сложении таких колебаний возникает интерференция: в тех точках пространства, где разность фаз равна четному числу л, амплитуда суммарного колебания максимальна, а при нечетном числе л амплитуда минимальна. Если же разность фаз непрерывно изменяется, причем за достаточно большой отрезок времени принимает с равной вероятностью всевозможные значения от О до 2л, то эти колебания некогерентны. При сложении некогерентных колебаний интерференции нет - суммируются энергии колебаний.

Пространственная когерентность характеризует форму волнового фронта излучения. Пусть излучение выводится из плоского торца диаметром D. Если в плоскости торца (апертуре) излучение всех осцилляторов строго синфазно, то формируется плоский фронт волны, причем угол расхождения луча 6 будет минимальным и определяется известной дифракционной формулой

е т. (10.3)

В ОКГ все микрочастицы излучают приблизительно в одной и той же фазе, совпадающей с фазой падающего на них излучения, что обусловливает высокую степень пространственной и временной когерентности излучения.

§ 10.2. ОТКРЫТЫЕ РЕЗОНАТОРЫ ДЛЯ ОКГ

Рассмотрим рис. 10.1. Активное вещество обеспечивает усиление на требуемой частоте оптического диапазона. Обратная связь создается зеркалами, образующими открытый резонатор. Одно из



зеркал делается полупрозрачным для вывода из прибора генерируемой мощности.

Использование закрытых резонаторов, типичных для сантиметрового диапазона длин волн, в данном случае невозможно, поскольку в оптическом диапазоне линейные размеры таких резона-


Рис. 10.1. Схема ОКГ:

/ - активиое вещество; 2 - зеркало; 3 - источник накачки; 4-выяодное излучение; 5-полупрозрачное зержало

торов должны составлять десятые доли микрона. Применение закрытых резонаторов лишено смысла и по технологическим, и по энергетическим соображениям.

Открытые резонаторы образуются двумя или более обращенными друг к другу отражающими поверхностями, лишь частично ограничивающими рабочее пространство. В качестве отражающих поверхностей используются зеркала различной формы (плоские, сферические, параболические), грани призм полного внутреннего отражения, границы раздела сред с различными показателями преломления (рис. 10.2). Рабочий объем резонаторов может быть





ТЕМ

Рис. 10.2. Открытые резонаторы ОКГ:

t - активное вещество: 2 - плоские зеркала; 3 --сферичеокне зеркала; 4 - призма

Рис. 10.3. Распределение поля по поверхности круглых зеркал

заполнен активным веществом частично или полностью. В последнем случае отражающие поверхности наносятся непосредственно на торцы активного вещества.

Резонатор, образованный системой двух зеркал, в технике ОКГ часто называют интерферометром Фабри-Перо. Зеркала бывают круглые и прямоугольные. Расстояние между зеркалами зависит от размеров образца активного вещества и может меняться от де-

сятых долей миллиметра в полупроводниковых ОКГ до сотен метров в газовых ОКГ. В любом случае линейные размеры резонатора в огромное число раз превосходят рабочую длину волны, что обусловливает появление очень большого числа видов колебаний резонатора (мод), расположенных по частоте близко друг к другу. Открытые резонаторы по сравнению с закрытыми позволяют значительно уменьшить число возможных видов колебаний, поскольку отсутствие боковых стенок делает условия существования колебаний в продольном и поперечном направлениях существенно различными. Упрощенно можно считать, что между зеркалами возбуждаются только плоские однородные волны типа ТЕМ. Если волны распространяются под углом к оси резонатора, то после нескольких проходов через резонатор они рассеиваются. Наоборот, осевые плоские волны, многократно отражаясь от зеркал, могут образовать резонансную стоячую волну, если расстояние между зеркалами L равно целому числу q полуволн:

(7(V2)= L. (10.4)

Длина волны в активной среде связана с частотой \ следующим образом:

-к =cnlU

рде с - скорость света в вакууме; п - показатель преломления в активной среде.

Из двух последних формул получаем

f=qcnJi2L). (10.5)

Отсюда разница частот Af двух соседних осевых видов колебаний, номера которых отличаются на 1, составляет

Af = cn/(2L). (10.6)

Следовательно, при увеличении длины резонатора спектр его колебаний становится гуще. Например, для резонатора газового ОКГ (п=1) длиной в 1 м получаем Д/=150 МГц. Отметим, что для закрытого резонатора такого же объема в полосе 150 МГц дополнительно существовало бы до ста миллионов резонансных частот.

При проходе волн через активное вещество, размещенное в резонаторе, мощность излучения усиливается. Поскольку наибольшее число раз через активное вещество проходят волны, распространяющиеся параллельно оси резонатора, выходное излучение ОКГ получается очень остро направленным.

Виды колебаний резонатора принято обозначать как ТЕМт где т и п - поперечные индексы колебания, равные 0. 1, 2... Для круглых зеркал индекс п обозначает число изменения знака поля по углу (для постоянного радиуса), а т -вдоль радиуса. Основной вид колебаний характеризуется индексами m=n=0, а остальные виды считаются высшими. Поскольку число q полуволи, укладывающихся между зеркалами, значительно больше чисел тип, тс индекс q в обозначении вида колебаний обычно опускают. На




рис. 10.3 показано распределение электрического поля вблизи поверхности круглых зеркал для различных видов колебаний.

Рассмотрим вопрос о потерях мощности в резонаторе. Если активного вещества нет, можно назвать два основных вида потерь: потери в зеркалах и дифракционные потерн. Потери в зеркалах вызываются тем, что отражение сопровождается некоторым рассеянием и поглощением излучения в зеркале. Кроме того, хотя бы одно из зеркал делается полупрозрачным для вывода полезного излучения. Величину потерь в зеркалах можно оценить произведением (1-Г1) (1-Гг), где Ti, Гг - коэффициенты отражения от зеркал по мощности.

Другой вид потерь возникает в результате дифракции плоской волны на зеркале. Если 1В плоскости зеркала диаметром D имеется синфазный фронт волны, то отраженная волна распространяется в пределах дифракционного угла е, определяемого ф-лой (10.3). Вследст-в.ие конечности угла расхождения электромагнитной волны и конечных размеров зеркал часть электромагнитной энергии теряется при каждом отражении.

При наличии в резонаторе активного вещества возникают дополнительные потери вследствие рассеяния на неоднородностях активной среды, а при частичном заполнении резонатора - еще потеря на торцах или на оптических окнах среды. Ослабление за счет рассеяния оценивают коэффициентом e-jf-, где Ир - показатель потерь на рассеяние.

На рис. 10.4 показаны дифракционные потери мощности Од за один проход волны для резонаторов с плоскими зеркалами и с конфокальными сферическими зеркалами. В последнем случае расстояние между зеркалами равно радиусу криви.зны зеркал, и фокусы обоих зеркал расположены в середине резонатора. Одним проходом волны считается прохождение излучения в ту и другую стороны, так что излучение успевает отразиться по одному разу от каждого зеркала резонатора. По оси абсцисс отложено число Френеля N:

N=DV{L%.) (10.7)

При малых числах Френеля, т. е. в длинных резонаторах с малой апертурой, дифракционные потери относительно велики. При .;V>0,6 конфокальный сферический резонатор имеет меньшие дифракционные потери и ббльшие соотношения этих потерь для низших типов колебаний по сравнению с плоскопараллельным.

Поле конфокального резонатора гораздо больше сконцентрировано у оси, следовательно, объем рабочего вещества в нем может быть меньше. В резонаторах с плоскими зеркалами требуется высокая степень параллельности зеркал друг относительно друга - порядка нескольких угловых секунд. В конфокальных резонаторах поворот зеркал может достигать угловых минут. Достоинством плоскопараллельного резонатора является повышенная направленность излучения.

По технологическим соображениям плоские зеркала применяют в полупроводниковых и твердотельных ОКГ. В газовых ОКГ, имеющих малое усиление за один проход, обычно используют резонаторы со сферическими зеркалами.

- 162 -

Рис. 10.4. Дифракционные потери Б открытых, резонаторах:

- с плоскими зеркалами:

- с конфокальными сферическими зеркалами

§ 10.3. СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ОКГ

Спектр излучения ОКГ определяется спектральными характеристиками активного вещества и резонатора. Активное вещество на рабочем переходе обладает некоторым однородно или неоднородно уширенным контуром излучения. На рис. 10.5а представлен


Б)Р

8)Р

А П А /

А А А

А

А А А

Рис. 10.5. Образование спектра излучения ОКГ

этот контур и пунктиром обозначены уровни потерь мощности для двух видов колебаний ТЕМоо и TEMoi. На рис. 10.56 и 10,5в показаны частотные характеристики открытого резонатора для колебаний ТЕМоо и TEMoi соответственно. Существенно, что в пределах контура излучения активного вещества укладывается значительное число резонансных пиков оптического резонатора. Например, для ОКГ на газе типичная ширина контура Л/с составляет примерно 1000 МГц. При длине резонатора L = 0,5 м расстояние между соседними резонансными пиками составляет согласно (10.6) 300 МГц, и в полосе контура излучения размещаются три-четыре вида колебания, отличающиеся номером q.

Если ни на одном из видов колебаний резонатора не выполняется условие самовозбуждения (8.18), в системе возможно лишь спонтанное излучение, спектр которого в основном определяется контуром излучения активного вещества. Как видно из рис. 10.5а-в, для пяти видов колебаний ТЕМоо и трех видов колебаний 6* - 163 -



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [ 25 ] 26 27 28 29 30