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

TEMoi мощность излучения превосходит мощность потерь, и на этих видах возникает генерация. В результате образуется достаточно сложный спектр излучения ОКГ, показанный на рис. 10.5г.

Ширина отдельных пиков резонатора Afp вследствие высокой добротности интерферометров получается довольно узкой. В процессе генерации, как показано в § 7.5, происходит дальнейшее сужение спектральных линий, так что Д/г<Д/р.

Рассмотренный выше режим работы ОКГ называется квази-одночастотным (многомодовым), поскольку в генераторе возбуждается несколько осевых видов колебаний с разными частотами. Для передачи информации наиболее приемлем одночастотный режим работы. Селекция одного осевого вида колебаний уменьшает шум, улучшает когерентность и спектральную чистоту излучения, повышает направленность излучения.

Самый простой метод получения одночастотного режима заключается в соответствующем выборе уровня мощности накачки. Этот уровень должен превышать уровень самовозбуждения лишь настолько, чтобы усиление превосходило потери для одного вида колебаний. Однако мощность генерации получается небольшой, а к стабильности уровня накачки предъявляются жесткие требования.

Более приемлемым способом селекции видов колебаний ОКГ является создание в резонаторе условий, при которых искусственно увеличиваются потери мощности паразитных колебаний. Например, в фокальной плоскости резонатора помещают диафрагму. Чем выше порядок вида колебаний, тем большую площадь поперечного сечения занимает его электромагнитное поле. Поэтому подбором отверстия в диафрагме можно достичь относительно малых потерь на основном виде колебаний и сравнительно больших - на высших видах.

§ 10.4. МОЩНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ОКГ

Для определения зависимости между выходной мощностью и параметрами ОКГ рассмотрим взаимодействие с активной средой двух встречно распространяющихся потоков энергии (рис. 10.6).

Поверхностные плотности мощностей этих по-гоков обозначим через Е и Е'. Приращение плотности потока Е описывается дифференциальным ур-нием вида (8.7);


= y.dz.

(10.8)

Рис. 10.6. Потоки энергии в ОКГ

Показатель усиления к вследствие насыщения сложным образом зависит от плотностей потоков. Однако при однородном насыщении [14]

\+ц{Е + Е')

(10.9)

где Хо - ненасыщенный показатель усиления; т) - параметр насыщения, который для выбранного рабочего перехода является величиной постоянной.

(10.11)

Поскольку активное вещество помещено в резонатор, суммарная плотность потоков Е+Е' может быть принята постоянной. При таком условии ур-ние (10.8) легко интегрируется в пределах активного вещества:

,п^=-- (10.10)

£(0) l+ri(E + E)

Запишем граничные условия, определяемые отражением потоков от зеркал:

£(0) = £(0)Го

£(Z.)=£(Z.)r,

где Го, Гь - коэффициенты отражения зеркал.

Учитывая граничные условия и условие постоянства суммарной плотности потоков, получаем

Е + Е' =E(L) + E (L) = (l + T)E(L). (10.12)

Применим условие стационарности амплитуды колебаний (8.19). Пусть в некотором сечении z=z, имеется мощность волны P(zi)=E(zi)S. где S -площадь сечения активной среды. Волна распространяется в среде и, отразившись от обоих зеркал, возвращается в сечение z=Zi, обладая мощностью P(zi) + PoTa- -Рпотр Тогда коэффициент усиления прибора G за один проход волны в обе стороны G=[P(zO + Porn-PnoTp]IP(zO. Учитывая условие (8.19). получаем

G = GiG2=l, (10.13)

-г е полный коэффициент усиления при обходе цепи по замкнутому контуру равен единице. Здесь через G, обозначен коэффициент усиления за один проход в активной среде, а через Gj - коэффициент ослабления за один проход в резонаторе. Выразим коэффициент усиления d через отношение плотностей потоков:

E(L)/E(0) = YGi.

(10.14)

При определении коэффициента ослабления Ga будем считать, что мощность выводится через правое зеркало (см. рис. 10.6), а левое зеркало непрозрачное. Тогда в величину Го, кроме потерь на этом зеркале, можно ввести и другие виды потерь:

Го = Го(1-ад)(1- г). (0 15)

где Г' - коэффициент отражения, учитывающий только потери в зеркале; От - потери на торцах активной среды, возникающие при частичном заполнении резонатора активным веществом.

Для коэффициента Сг получаем

G, = r r,. (10.16)

Подставим выражения (10.14) и (10.16) в (10.13), тогда

£(0) -

(10.17)

Учтем граничное условие (10.12) и ф-лу (10.17) в решении дифференциального ур-ния (10.10) и запишем плотность потока у выходного зеркала:

E{L) =

11(1+Г^)

1п(ГоГ^,)

(10.18)

Очевидно, в генерирующем приборе плотность потока E(L) имеет некоторое положительное значение: E(L)>0. Тогда из ур-ния



(10.18) получаем, что длина активного веществ в генераторе должна превышать определенное пусковое значение:

1 . 1

ГоГ

(10.19)

Для создания ОКГ с короткими резонаторами следует увеличивать показатель усиления ко и уменьшать потери.

Рассмотрим случай, когда усиление на единицу длины активной среды мало, что справедливо для большинства газовых ОКГ. Для эффективного использования таких сред необходимо, чтобы оба зеркала отражали большую часть падающей энергии, т. е. коэффициенты отражения зеркал Го и Гь должны быть близки к единице. Тогда логарифм в ф-ле (10.18) можно разложить в степенной ряд и ограничиться первыми членами разложения. Затем определим величину полученной мощности:

P = E(L)S =

(1 -r )-f (1 -Г^,)

(10.20)

В формуле положено, что поглощение в выходном зеркале мало, а поэтому коэффициент пропускания, равный отношению прошедшей через зеркало мощности к падающей, составляет примерно il-Гь).

На рис. 10.7 показано изменение излучаемой мощности в зависимости от ненасыщенного показателя усиления и длины активной среды. Мощность, начиная с пускового значения величины koL, возрастает линейно. Величина (1-Го) характеризует суммарные

потери в резонаторе. При увеличе-шии потерь излучаемая мощность (цадает вплоть до -срьгва генвращи.1 (рис. 10.7).


Рис. 10.7. Зависимость излучаемой мощности от усиления и потерь


Рис. 10.8. Зависимость излучаемой мощности от коэффициента отражения выходного зеркала

Зависимость излучаемой мощности от величины коэффициента отражения выходного зеркала представлена на рис. 10.8 для нескольких значений y.oL. Поскольку коэффициент отражения Ть всегда меньше единицы, генерация возможна только в области, где

2 -Г„ -2x L<r <l. - 166 -

Приравнивая нулю производную ёР/ёГ. найдем оптимальное значение Гьопт, при котором излучаемая мощность максимальна:

Г^опх = 2-Го-1/2х„/.(1-Го).

(10.21)

Увеличение параметра коЬ уменьшает Г^опт и увеличивает максимальную выходную мощность.

§ 10.5. ГАЗОВЫЕ ОКГ

Оптические квантовые генераторы с газообразными активными средами наиболее распространены в настоящее время. Инверсные состояния в газообразных средах создаются на переходах изолированных атомов, ионов или молекул. Поэтому газовые ОКГ обладают самой высокой степенью когерентности выходного излучения среди известных оптических источников. Высокая оптическая однородность изотропной газообразной среды обусловливает малый угол расхождения пучка. Вместе с тем некоторые типы газовых ОКГ обеспечивают получение максимальных мощностей в непрерывном режиме.

Излучение газовых ОКГ перекрывает огромный диапазон длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного излучения (0,2-800 мкм). Большим разнообразием отличаются методы возбуждения газовых ОКГ: тлеющий и дуговой разряды в активной среде, химическое возбуждение, термическое возбуждение, фотодиссоциация за счет облучения среды внешним источником и др.

Ниже рассмотрены некоторые газовые ОКГ, перспективные для использования в технике связи.

Гелий-неоновый ОКГ. Такой ОКГ явился первым газовым источником когерентного света, работающим в непрерывном режиме. Устройство гелий-неонового ОКГ с возбуждением постоянным током показано на рис. 10.9. Смесь рабочих газов поме-


Рис. 10.9. Схема гелий-неонового ОКГ:

/ - анод: 2 - трубка с газовой смесью; 3 - катод; 4 - зеркала торцевые окна

щена в герметизированную стеклянную или кварцевую трубку. Между анодом и катодом приложено постоянное напряжение, достаточное для зажигания тлеющего разряда в трубке. Катод обычно делают подогревным для облегчения возникновения разряда. Рассмотрим, каким образом создается инверсная населенность



рабочих переходов. Рассмотрим рис. 10.10. Цифрой / обозначены основные состояния атомов. При включении трубки под напряжение в ней возникает тлеющий разряд, характеризующийся переходом атомов в возбужденное состояние и появлением в разрядном промежутке большого числа свободных электронов и ионов. Не tg

= 3s


Рис. 10.10. Схема нижних энергетических уровней гелия и неона

Атомы гелия из основного состояния вследствие неупругих взаимодействий со свободными электронами могут переходить в возбужденные состояния и /. Оба этих уровня являются мета-стабильными, поскольку излучательные переходы с них в основное состояние запрещены правилами отбора (время жизни частиц на уровнях примерно 10-с). Верхние уровни неона также заселяются за счет соударений с электронами. В дополнение к этому процессу атомы гелия и неона в разряде взаимодействуют между собой. Уровни и / гелия энергетически очень близки к уровням 2s и 3s неона, поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит, резонансная передача возбуждений: атомы гелия переходят в основное состояние /, а атомы неона - в возбужденные состояния 2s или 3s. Очевидно, что в системе протекает и обратный процесс передачи возбуждения от атомов неона в состояниях 2s и 3is к невозбужденным атомам гелия. Чтобы прямой процесс преобладал, необходимо создать избыточную концентрацию гелия. Поэтому отношение парциальных давлений гелия и неона в смеси выбирают равным примерно десяти при общем давлении около 1 мм рт. ст.

Вследствие резонансной передачи возбуждений населенности уровней 2s и 3s значительно возрастают, и при определенных условиях разряда возникает инверсная населенность на переходах 3s- -3/>, 2s->-2p и 3s-v2/3. Таким образом, основным рабочим веществом, создающим вынужденное излучение, является неон, а гелий

- 168 -

используется для селективного заселения определенных энергетических уровней неона.

Наиболее эффективным является рабочий переход 3s3/7, которому соответствует длина волны 3,39 мкм. Усиление на этом переходе достигает 20 дБ/м, а генерация легко возникает даже в резонаторе с металлическими зеркальными покрытиями. На переходе 2s-2p (Л=1,15) усиление значительно меньше, до 10-127о на метр, а потому осуществить генерацию значительно труднее. Еще менее эффективным является переход 3s->-2/3 (Х,=0,63 мкм) с усилением 4-6% на метр. Однако длина волны излучения на этом переходе расположена в видимом диапазоне и соответствует области наибольшей чувствительности фотокатодов приемников излучения. Поэтому на практике переход 3s->-2/3 используют особенно часто. Инверсия для всех трех переходов достигается примерно в одинаковых условиях разряда, а поэтому для выделения вида генерации подбирают зеркала или вводят в резонатор селективно поглощающий элемент.

С уровня 2/3 частицы возвращаются на основной уровень в два этапа. Сначала за короткий промежуток времени происходит спонтанный переход 2p-\s. сопровождающийся обычным некогерентным свечением неона. С долгоживущего уровня Is частицы удаляются в основном за счет диффузии на стенки газоразрядной трубки, которым они отдают избыток своей энергии. Чтобы поддерживать требуемую инверсию на рабочих переходах, уровень Is должен опустошаться достаточно быстро, а потому диаметр газоразрядной трубки должен быть относительно небольшим. Действительно, замедление процесса диффузии ограничивает мощность генерации, хотя увеличение диаметра трубки и соответственно объема активной среды должно вести к возрастанию мощности. Для трубок длиной около метра наибольшая .выходная мощность получается три Д'иамепрах 7-10 вдм.

Зависимость мощное ганерацми от тока разряда имеет реэко 1выра.жен-ный максимум (рис. 10.11). При увеличении тока населенности ipaeonx состояний вначале во31растают почти горо-пор|Ц1И10яально току, и увелтивается ниверсия иаселенностей. Поэтому первоначально, начиная с некоторого порогового значения тока, мощность генерации возрастает вместе с увеличением тока.

Когда плотность тока разряда достигает значений 0,05- 0,5 А/см2, начинает проявляться электронное возбуждение уровней 2р и 3/3 с долгоживущего уровня Is. В результате населенность нижних рабочих уровней возрастает, а инверсия и мощность излучения падают вплоть до срыва генерации.

Газовые ОКГ характеризуются относительно низким усилением на единицу длины активного вещества, поэтому конструкции гсне-


Рис 10.11. Зависимость мощ-СООТветствеННО ости генерации от тока разряда в гелий-неоновом OKI



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