Квантовые генераторы

  К аналогичному результату приводит также  диффузия дырок из р- в n-область.

Поскольку диффузия носителей происходит на небольшую  глубину (порядка единиц микрон), в излучении участвует не вся поверхность торца полупроводникового диода, а лишь области, непосредственно примыкающие к плоскости раздела р- и n- областей.

  В импульсном режиме подобного типа лазеры, работающие в жидком гелии, имеют  мощность порядка 300 Вт при длительности около 50 нс и около 15 Вт при длительности 1 мкс. В непрерывном режиме выходная мощность может достигать 10—20 мВт при мощности накачки около 50 мВт.

  Излучение колебаний происходит только с момента, когда плотность тока в переходе достигнет порогового значения, которое для мышьяковистого галлия составляет около 10⁴ а/см². Столь высокая плотность достигается выбором малой площади р-n переходами соответствует обычно току через диод порядка нескольких ампер. 

3.2.2 Генераторы с газообразным активным веществом 

  В квантовых генераторах оптического  диапазона активным веществом является обычно смесь двух газов. Наиболее распространенным является газовый лазер на смеси  гелия (Не) и неона (Nе).

  Расположение  энергетических уровней гелия и  неона показано на рисунке 11. Последовательность квантовых переходов в газовом лазере следующая. Под действием электромагнитных колебаний высокочастотного генератора в газовой смеси, заключенной в трубку из кварцевого стекла, происходит электрический разряд, приводящий к переходу атомов гелия из основного состояния I в состояние II (2³S) и III (2¹S). При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона между ними происходит энергетический обмен, в результате которого возбужденные атомы гелия передают энергию атомам неона и населенность уровней 2S и 3S неона существенно увеличивается.

  Увеличение  населенности уровней 2S и 3S создает условия генерирования колебаний в нескольких частотных диапазонах. Положительные результаты получены в диапазонах 0,63, 1,15  и 3,39 мк. 

  

Рисунок 11 Энергетические уровни гелия и неона 

Гелий-неоновый лазер может работать как в  непрерывном, так и импульсном режиме. В непрерывном режиме мощность излучения  невелика и не превышает нескольких десятков милливатт. В импульсном режиме пиковая мощность составляет несколько сотен ватт.

  Устройство  газового лазера схематично Показано на рисунке 12. Основной частью генератора является трубка из кварца или специального стекла длиной от 20 до 100 см, наполненная смесью гелия и неона под небольшим давлением.

  Трубка  укреплена в металлической раме, по обе стороны которой установлены  плоские зеркала, образующие резонатор (рисунок 13).

  Для устранения отражений от концов трубки торцы ее закрыты плоскими стеклянными  окнами, установленными под углом Брюстера к оптической оси.

  Зеркала изготовлены из кварцевых пластин, на которые нанесено многослойное диэлектрическое  покрытие, эффективно отражающее колебания  в одном из диапазонов излучения  генератора (0,63, 1,15 или 3,39 мк). Для обеспечения строгой параллельности зеркал предусмотрена их юстировка с помощью микрометрического механизма (рисунок 13). Вывод энергии из резонатора осуществляется полупрозрачным зеркалом.

    

  Источником  подкачки является высокочастотный  генератор, обеспечивающий мощность около  50 Вт на частоте 30 Мгц. Возбуждение лазера наблюдается при изменении мощности генератора примерно от 10 до 80 Вт. Связь генератора с трубкой осуществляется таким образом, чтобы длина разрядного промежутка, т. е. расстояние между металлическими кольцами, охватывающими трубку и соединенными с генератором, была не менее 20 см. Возбуждение газового лазера возможно также и от высоковольтного источника постоянного напряжения, обеспечивающего тлеющий разряд в трубке.

  Рамка, в которой укреплена трубка, может быть изготовлена из инвара с целью уменьшения влияния температуры на параметры резонатора, образованного двумя зеркалами.

  В настоящее время проводятся интенсивные  исследования лазера на смеси азота  и углекислого газа. Существенными  достоинствами этого лазера являются весьма высокий к. п. д. и возможность получения очень высоких мощностей в непрерывном режиме. Экспериментальные модели лазеров на смеси азота и углекислого газа позволяют получить мощность до 1000 Вт при кпд 6—7%.

 

  4. Стабильность частоты  квантовых генераторов 

  При квантовых переходах с более  высокого энергетического уровня на более низкий для отдельных изолированных  молекул, свободных от внешних воздействий (с соседними молекулами или каким-либо полем), происходит излучение электромагнитных колебаний чрезвычайно высокой стабильности. Однако в реальных молекулярных генераторах используются пучки молекул или твердые активные вещества, в которых наблюдается заметное взаимодействие большого числа атомов и молекул, а также взаимодействие последних с электромагнитным полем резонатора, что неизбежно приводит к снижению стабильности частоты и, следовательно, к расширению спектра генерируемых колебаний. 

  К основным причинам, влияющим на стабильность частоты и приводящим к «размытию» спектральной линии молекулярных генераторов, можно отнести следующие:

  1) соударение молекул в результате хаотического движения, интенсивность которого возрастает по мере увеличения температуры, а также столкновение молекул со стенками резонатора,

  2) затягивание частоты объемным резонатором, с полем которого взаимодействуют молекулы,

  3) разницу в скоростях и направлении движения отдельных молекул, приводящую к появлению допплеровского смещения частоты колебаний, излучаемых молекулами аммиака,

  4) конечность времени  пролета молекул в резонаторе,

  5) тепловые шумы в стенках резонатора и элементах, канализирующих высокочастотную энергию.

  В результате беспорядочного движения молекул  аммиака, происходит их столкновение, что приводит к смещению энергетических уровней молекул и в конечном счете к изменению генерируемой частоты. Это смещение уровня зависит от скорости сталкивающихся молекул и направления их движения. Вследствие случайного характера распределения скоростей молекул отмеченное смещение энергетического уровня молекул приводит к шумовой модуляции генерируемых колебаний.

  Расширение  спектра можно оценить следующим  соотношением: 

     (2) 

  где

  Δf_л – ширина спектральной линий на уровне 0.5;

  P – мощность индуцированного излучения;

  T- абсолютная температура стенок резонатора;

     В сантиметровом диапазоне обычно

  P>>kT Δf_л

   Поэтому

     Δf₁<< Δf_л 
 
 
 

В оптическом диапазоне, где энергия квантов  (hν) достигает больших значений, основную роль в расширении излучаемого спектра играет не тепловое движение, а дискретность переходов. Так, например, при λ = 10000 Å эквивалентная шумовая температура одного кванта соответствует около 14000° К. В этом случае для оценки ширины излучаемого спектра можно использовать соотношение (2) , подставив вместо кТ энергию кванта hν, т.е.

  Со  случайным распределением скоростей  молекул связано расширение спектральной линии; обусловленное эффектом Допплера. Известно, что частота, излучаемая движущимися  молекулами, в общем случае зависит  от их скорости. Эффект Допплера проявляется  наиболее сильно, если направление движения молекулы совпадает с направлением распространения электромагнитных волн в резонаторе, и весьма слабо, если молекулы движутся параллельно фронту волны.

По этой причине в молекулярных генераторах  используются резонаторы, в которых направление движения молекул совпадает с фронтом возбуждаемой в резонаторе волны. Это позволяет существенно снизить допплеровское смещение частоты.

С целью  уменьшения столкновения молекул и  снижения влияния эффекта Допплера в молекулярных генераторах используются молекулярные пучки аммиака в вакууме и охлаждение пучка, формирующих его элементов и резонатора до весьма низких температур.

  В процессе движения молекулярного пучка  в резонаторе генератора молекулы взаимодействуют  с высокочастотным полем резонатора: поле резонатора вызывает индуцированное излучение молекул, которые в свою очередь поддерживают колебания в резонаторе. Существование такой связи поля резонатора с молекулами пучка в случае неточной настройки резонатора на частоту спектральной линии излучения молекул приводит к некоторому воздействию резонатора на частоту генерируемых колебаний. Это явление аналогично явлению затягивания частоты в автогенераторах, колебательная система которого содержит два связанных контура. В данном случае такими связанными колебательными системами являются резонатор и обладающие чрезвычайно высокой эквивалентной добротностью молекулы аммиака.

  Приближенная  оценка затягивания частоты молекулярного  генератора объемным резонатором может  быть произведена на основании соотношения, полученного Н Г. Басовым и А. М. Прохоровым: 

   (3)

  где

  ω₀ – частота используемого в генераторе энергетического перехода молекул

  ω_p – частота настройки объемного резонатора

  Δf_p – ширина полосы пропускания резонатора

Из выражения (3) видно, что реакция резонатора на генерируемую частоту тем выше, чем выше добротность резонатора (т. е. меньше полоса пропускания Δf_p) и чем шире спектральная линия молекул, величина которой, определяется интенсивностью хаотического движения молекул в пучке и взаимным столкновением молекул.

  Одна  из существенных причин, приводящая к  расширению спектральной линии ∆f_л заключается в конечности времени пролета молекул через резонатор, т. е. времени взаимодействия молекул с полем резонатора. Вследствие очень высокой эквивалентной добротности молекул как колебательных систем время, которое молекулы взаимодействуют с резонатором, меньше периода полного установления, что приводит к некоторому снижению эффективной добротности и, следовательно, к расширению спектральной линии.

  Увеличение  ширины спектральной линии, обусловленное  конечностью времени пролета  молекул через резонатор, можно приближенно оценить по формуле: 

     (4)

  где l- расстояние, на котором происходит взаимодействие молекул с полем резонатора;

  υ_м – средняя скорость молекул.

  В молекулярных генераторах на аммиаке  расширение спектральной линии Δf₂ оценивается величиной от 2 до 10 кГц.

   

  Стабильность частоты генераторов оптического диапазона.

  В настоящее время еще отсутствуют достаточно достоверные данные по стабильности частоты генераторов этого диапазона, что объясняется большими техническими трудностями частотных измерений и сложным характером спектра частот, излучаемого оптическими квантовыми генераторами, что существенно затрудняет теоретические оценки.

  Ширина спектральной линии излучения молекул или атомов в оптическом диапазоне намного больше, чем в диапазоне СВЧ и может составлять от сотен до десятков тысяч мегагерц.

  Если  учесть, что используемые в оптическом диапазоне открытые резонаторы, работают на очень высоких типах колебаний и имеют добротность порядка 10⁶, то в пределы спектральной линии вещества попадает большое число, собственных частот резонатора. Вследствие этого в оптическом квантовом генераторе может одновременно возбуждаться множество типов колебании (мод).

  Стабильность  отдельной моды и стабильность спектра  излучаемых частот существенно отличаются и зависят от различных факторов.

  Стабильность  частоты моды в первую очередь  определяется стабильностью параметров резонатора и в меньшей мере спектральной линией излучения. Ширина спектральной линии моды оценивается для газового лазера величиной в несколько килогерц, для твердотельных ОКГ — величинами порядка единиц мегагерц. Относительная стабильность частоты моды без принятия специальных мер по стабилизации составляет 10^-9 —10^-6