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

раторов должны обеспечивать малые потери в резонаторе. Для уменьшения потерь на торцевых окнах, представляющих собой плоскопараллельные стеклянные или кварцевые пластинки, последние располагают так, чтобы нормаль к ним составляла с осью трубки угол Брюстера (см. рис. 10.9). Известно, что излучение, падающее на плоскопараллельную пластинку под углом Брюстера и поляризованное в плоскости падения, проходит через пластинку с минимальными потерями. Поэтому для излучения определенной поляризации добротность резонатора оказывается высокой, и выходное излучение ОКГ становится поляризованным.

Гелий-неоновые ОКГ обладают весьма большим сроком службы, который может превышать 10 тыс. часов. Он определяется в основном поглощением газа при разряде стенками трубки и электродами. Безэлектродному высокочастотному разряду свойственна большая скорость поглощения газа, в связи с чем его сейчас почти не применяют.

На рис. 10.12 показан внешний вид гелий-неонового ОКГ.


Рис. 10.12. Гелий-неоновый ОКГ типа ЛГ-55

ОКГ на ионах аргона. Активной средой в ОКГ на ионах аргона является дуговой разряд в чистом аргоне при давлении менее 1 мм. рт. ст. В качестве рабочих используются переходы между возбужденными состояниями ионов. В первом приближении можно считать, что диаграмма энергетических уровней ионизированного аргона Аг+, участвующих в генерации, имеет вид рис. 9.2а. Заселение верхнего рабочего уровня Ws происходит за счет прямого электронного возбуждения, а также благодаря ступенчатым переходам ионов на этот уровень через промежуточные уровни, не показанные на рисунке. Получение инверсии населенностей в переходе 3->-2 облегчается за счет малого времени жизни ионов аргона на уровне W2, которое в несколько десятков раз меньше, чем время жизни на уровне 13.

Поскольку второй и третий уровни имеют сложную структуру, выходное излучение ОКГ представлено рядом спектральных линий в диапазоне от 0,45 до 0,53 мкм. Наиболее интенсивными являются голубая линия 0,488 мкм и зеленая линия 0,515 мкм.

Устройство аргонового ОКГ показано на рис. 10.13. Дуговой разряд создается в кварцевом капилляре диаметром 1-5 мм. По-


Рис. 10.13. Устройство ОКГ, использующего иоиы аргона: / - зеркала; г -выходные окна; 3-жатод; 4 -катал жидкостного охлаждения; 5 -магнит; 6 -капилляр; 7 - анод; 8 -обводная газовая трубка; S -паггрубки для подачи ж1ИДкости

соленоида или системы постоянных магнитов создается продольное магнитное поле, отжимающее разряд от стенок к оси капилляра. Рост плотности тока в центре капилляра увеличивает кпд и выходную мощность генератора.

Плотности тока в дуговом разряде составляют от ЮОА/см в непрерывном режиме до 10000А/см в импульсном режиме. Поэтому ионные ОКГ способны генерировать гораздо большую непрерывную мощность, чем ОКГ, работающие на атомных переходах. Выходная мощность ионных ОКГ возрастает пропорционально произведению концентраций электронов и ионов, т. е. примерно пропорционально квадрату тока разряда.

Срок службы ОКГ на ионах аргона определяется качеством капилляра. Долговечнее кварцевых оказываются секционированные металлокерамические конструкции, которые состоят из ряда тугоплавких металлических колец, разделенных керамическими кольцами.

Молекулярный генератор на углекислом газе. Малый коэффициент полезного действия является серьезным недостатком газовых ОКГ на атомных и ионных переходах. Низкая эффективность накачки во многом определяется тем, что верхний рабочий уровень удален от основного. Поэтому для повышения эффективности могут быть использованы колебательные возбужденные состояния молекул, энергетические уровни которых располагаются значительно ближе друг к другу, чем электронные. Однако длина генерируемых волн при этом больше, чем в ОКГ на электронных переходах.

Одним из наиболее перспективных молекулярных ОКГ является генератор на углекислом газе COj. В хенераторе используется

скольку при разряде газ постепенно перемещается к аноду, для выравнивания давлений катодную и анодную области соединяют обводной газовой трубкой. Длина трубки должна быть такой, чтобы исключить возникновение в ней разряда. Капилляр, подвергающийся интенсивной бомбардировке электронами и ионами, охлаждается проточной жидкостью. Кроме того, при помощи внешнего



Wfimn

смесь углекислого газа с азотом, в которую добавлен гелий или пары воды, при общем давлении в смеси около 1 мм рт. ст. Диаграмма нижних колебательных уровней молекул СО2 и N2 показана на рис. 10.14. Рабочие переходы 43 и 4-2 сопровождаются вынужденным излучением в инфракрасном диапазоне на длинах волн около 10,6 и 9,6 мкм соответственно. Заселение верхнего уровня 4 происходит как за счет прямого электронного возбуждения молекул СО2 в газоразрядной плазме, так и за счет резонансной передачи возбуждения от молекул азота, находящихся в состоянии /. Созданию инверсной населенности на рабочих переходах способствует длительное время жизни молекул COj на уровне 4 -примерно 10- с. Гелий либо пары воды добавляют для увеличения теплопроводности смеси, при этом тепло отводится от центра разряда к стенкам, и нижние рабочие уровни своевременно опустошаются.

Энергетическая диаграмма рис. 10.14 весьма упрощена, все колебательные уровни молекул дополнительно расщеплены на вращательные (подуроБни. В общей сложности число излучательных переходов достигает ста. Однако переход с длн-иой (волны около 10,6 mikm 1я(вляется (наиболее интеноивным, и ibo многих случаях этот переход почти полностью подавляет генерацию на других переходах.

Конструктивные оообеиности ОКГ на углекислом газе связаны с большой выходной /мощностью приборов. Газоразрядные ггруб1ки часто имеют (длину до нескольких метров и диаметр до 10 см. Охлаждение используют как водяное, так и принудительное воздушное. Ряз/ряд IB трубке осуществляют либо на постоянном токе, либо на переменном частотой 50 Гц. Дляупроще-1Н1ИЯ зажигания разряда длинные трубки секционируют, шричем каждую секцию длиной 0,8-1 м питают отдельно. Под действием разряда углекислый газ довольно быстро разлагается на равнощеоную смесь СО2, СО и Ог- Поэтому в мощных ОКГ смесь в газоразрял ной трубке постоянно обновляют путем подкати те внешнего ре1зер(вуара.

Интересной особенностью ОКГ на СО2 является возможность плавного изменения частоты генерации путем перестройки резонатора в довольно широких пределах: от 10,15 до 10,75 мкм. Широкополосность ОКГ связана со множеством колебательно-вращательных уровней молекул COj. Чтобы исключить подавление слабых рабочих переходов более интенсивными, резонатор должен быть селективным.

Рис. 10.14. Нижние колебательные уровни углекислого газа и азота

Тип

Рабочая среда

Длина волны, мкы

Мощность излучения, ыВт

Угол расходимости, НИН

ОКГ-12

Не-Ne

0,63

ЛГ-35

>

0,63

1.2)

1,15

ЛГ-75

0.63

3,51

ЛГ-116

1.15

ЛГ-109

0,48-0,51

1000

ЛГ-106

0.48-0.51

1000

ОКГ-15

10,6

1000-5000

ЛГИ-187

10.6

15 000

) в одночастотном режиме

§ 10.6. ОКГ НА ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

В качестве активной твердотельной среды используются кристаллические или амфорные диэлектрики (стекла), легированные ионами хрома или редкоземельных элементов. В твердом веществе концентрация активных частиц (10-Ю^о см-) превышает концентрацию в газовых средах на несколько порядков. Поэтому абсолютная величина инверсии населенностей уровней в твердом теле может быть гораздо больше, что обеспечивает получение высоких коэффициентов усиления на единицу длины и соответственное укорочение приборов.

Твердое тело оптически гораздо менее однородно, чем газы. Поэтому излучение рассеивается и несколько возрастает угол рас-

- 173 -

ОКГ на углекислом газе обладают максимальными мощностями и кпд в классе газовых приборов. Типичным для них является значение выгодной мощности в непрерывном режиме от 1 до 100 Вт при кид от 1 до 207о- В настоящее время от ОКГ на углекислом газе получена максимальная выходная мощность 9 кВт в непрерывном режиме.

Использование ОКГ на СО2 в системах связи представляется весьма перспективным, поскольку при достаточных значениях выходной мощности в них легко получается одночастотный режим и возможна перестройка частоты. Срок службы приборов средней мощности может достигать 9000 ч.

В табл. 10.1 приведены основные параметры некоторых газовых ОКГ непрерывного действия, выпускаемых отечественной промышленностью.

ТАБЛИЦА 10.1

Отечественные газовые ОКГ непрерывного действия




Рис. 10.15. Энергетические уровни ионов хрома в рубине

хождения выходного излучения. Вследствие взаимодействия частиц твердого тела между собой уширяются линии генерации.

Энергетическая диаграмма кристалла рубина в оптическом диапазоне показана на рис. 10.15*). Накачка производится оптически за счет интенсивного облучения кристалла внешним источником. При этом ионы хрома поглощают кванты излучения с длинами

волн тримерню 0,56 и 0,41 мкм и переходят из основного состояния / на два широких уро'вяя 5. За .короткое время основиая часть (возбужденных частиц (переходит безызлучательно ina два блиэко рааположенных метастабиль-1ных уровня 2, отдавая избыток энергии нристалличеокой решетке. Значительно меньшая часть ионов возвращается в . оостолние посредством перехода 3 *1. \0,В9мкм метастабильных уровнях 2

вследствие большого времени жизни (~ 3 -10~с) накапливаются частицы. При достаточней величине энергии накачки возникает инверсная иасе-ленность в переходе 2г*\. Таким образом, генерация возникает а двух линиях Ri и R- При комнатной температуре длина волны генерации составляет 0,6943 мкм для линии Ri и 0,6929 мкм для линии R2. Обычно первое колебание в процессе генерации подавляет второе.

Для возникновения и поддержания в квантовом генераторе стационарных автоколебаний должен поддерживаться баланс мощностей, а именно, равенство мощности, отданной активным веществом, и мощности всех видов потерь. Мощность, отданная на выбранном рабочем переходе, определяется согласно ф-ле (8.20) разностью населенностей уровней пг- ь а значит, и интенсивностью накачки. Следовательно, существует минимальная пороговая величина энергии накачки Wh. пор, при которой возникают автоколебания. Расчеты показывают, что если накачка производится на длине волны 0,56 мкм, а концентрация ионов хрома в рубине равна 0,03%, то пороговая энергия накачки для единицы объема кристалла составляет Wh. пор^2 Дж/см. Эта энергия должна быть передана кристаллу за время, меньшее времени жизни частиц на уровне 2, чтобы его населенность не успела снизиться из-за релаксации.

Практически необходимая для возбуждения рубиновых ОКГ энергия в десятки раз превышает указанную выше, поскольку спектр излучения применяемых источников накачки значительно шире спектра поглощения рубина, и активной средой поглощается только часть энергии накачки.

Рассмотрим рис. 10.16. Рубиновый стержень имеет длину от 80 до 500 мм и диаметр от 6 до 50 мм. Накачка осуществляется импульсной газоразрядной лампой с ксеноновым наполнением. Лампа имеет форму трубки (иногда свитой в спираль), по концам которой располагаются электроды. Питается лампа от конденсатора Cl емкостью до нескольких тысяч микрофарад, который заря-

*) в квантовых приборах свч используется небольшое расщепление уровня / вследствие взаимодействия магнитгюго момента иона Сг+ с внутрикристалли-ческим полем, а также с внешними магнитными полями.

жается огисточника с напряжением в несколько тысяч вольт. При подаче на запускающий электрод импульса лампа загорается и продолжаетЧореть, пока не израсходуется запасенная в конденсаторе Cl энергия. Поджигающий импульс напряжением в несколько десятков киловольт снимают со вторичной обмотки повышающего трансформатора.


Рис. 10.16. Импульсный рубиновый ОКГ: а) устройство и схема питания; б) поперечное сечение

(/ - ксеноновая ла-мпа: 2 - запускающий электрод; 3 - рефлектор; 4 - рубиновый стержень; 5 - выходное излучение; б. 7 - источники питания)

Для более полного использования световой энергии лампы накачки применяют различные схемы фокусировки. Например, лампу и рубиновый стержень размещают в фокусах эллиптического цилиндрического рефлектора, так что большая часть излучаемой лампой энергии попадает на стержень (рис. 10.166). Для увеличения энергии накачки иногда вместо одной лампы применяют две или четыре. При этом используют совмещенные эллиптические отражатели.

Спектр излучения ксеноновой лампы при нормальных плотностях тока разряда весьма широк и близок к спектру абсолютно черного тела. Поэтому доля энергии, поглощаемой рубином, по отношению к энергии излучения ксеноновой лампы составляет всего 7-13%.

Рассмотрим некоторые особенности процесса генерации в твердотельном ОКГ. На рис. 10.17 показано изменение во времени мощности накачки Рн и выходной мощности генератора Рвы - Длительность импульса накачки составляет 100-1000 МКС. Как только мощность накачки достигает порогового значения Рн. пор, возникает генерация. Время запаздывания начала генерации обычно от десятков до сотен микросекунд.

Выходное излучение твердотельного ОКГ обычно состоит из пичков - нерегулярных всплесков мощности Рвых (рис. 10.17). Длительность пичков для рубинового ОКГ составляет около одной микросекунды, а интервал между ними-несколько микросекунд. Механизм возникновения пичков полностью не изучен, однако основным фактором считается изменение населепности рабочих уровней в процессе генерации. Под воздействием излучения накачки Рн населен-



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