Квантовые генераторы оптического диапазона (ОКГ)

Классификация ОКГ

К оптическим квантовым генераторам (ОКГ) относятся квантовые генера-торы, работающие в видимом, ИК- и УФ-диапазонах. Диапазон видимых длин волн 0,38÷0,77 мкм, УФ – короче 0,38 мкм, ИК – длиннее 0,77 мкм, вплоть до сотен мкм. УФ-диапазон граничит с рентгеновским диапазоном (< 0,01 мкм).

Наиболее распространена классификация ОКГ по физическому состоянию используемого активного вещества. Различают ОКГ:

● газовые (молекулярные, атомарные, ионные, химические);

● твердотельные (ионные);

● жидкостные (молекулярные, атомарные);

● полупроводниковые;

● плазменные.

Используется также классификация по физико-химическому состоянию применяемого активного вещества:

● молекулярные (газовые, жидкостные);

● атомарные (газовые, пары атомов);

● ионные (газовые, твердотельные);

● химические (газовые);

● электронные (полупроводниковые, плазменные).

Из зарубежных публикаций широко используется термин laser (см. п. 1.1), эквивалентный понятию ОКГ; ОКГ нашли широчайшее применение в системах связи (передачи информации), в технологических и медицинских целях. Далее рассмотрены различные типы ОКГ.

Газовые ОКГ

Их можно разделить на атомарные, молекулярные, ионные и химические. Широко распространенный атомарный газовый ОКГ – гелий-неоновый. Этот ОКГ подробно изучается в лабораторной работе. Рабочим газом является неон (Ne), в котором возможны переходы с двух верхних энергетических уровней на нижележащие: с излучением квантов длинами волн 3,39 мкм, 1,15 мкм и 0,63 мкм. Отметим, что вероятность ИК-переходов здесь во много раз выше, чем в видимом диапазоне. В этом ОКГ организуется генерация на λ=0,63 мкм. Для получения состояния инверсной населенности в Neсоздается смесь газов с добавлением вспомогательного газа гелия (Не). В трубке с газами (под малым давлением) создается электрический газовый разряд с помощью высокого напряжения, приложенного между горячим или холодным катодом и анодом. Легкие атомы Невозбуждаются электронами, переходя на два верхних уровня энергии. Эти уровни Несовпадают по энергиям с аналогичными уровнями Ne. При столкновении атомов Не и Ne возникает резонансная передача возбуждения, и Ne переходит в возбужденное состояние. Схема переходов показана на рис. 10.1. Генерация ОКГ всегда начинается со спонтанных переходов, в том числе на длине волны λ=0,63 мкм.

Рис. 10.1. Схема получения инверсной населенности в Не–NeОКГ

Для получения индуцированного излучения в ОКГ на λ=0,63 мкм газо-разрядную трубку помещают в оптический открытый резонатор, состоящий из пары параллельных зеркал, одно из которых является полупрозрачным для выво-да генерируемых оптических колебаний. Для минимизации переходов W₆→W₅ на λ=3,9 мкм с самого верхнего уровня, что снижало бы уровень инверсии для перехода W₆→W₃, на λ=0,63 мкм, зеркала делают избирательными (селектив-ными) (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Устройство селективного зеркала

Для этого на стеклянную основу напыляют 13÷49 слоев из оптически прозрачного диэлектрика толщиной (λ – длина волны в диэлектрике: λ= , где п = – показатель преломления, ε – диэлектрическая проницаемость материала). Показатели п в слоях чередуются, образуя границы раздела (n₂ > n₁).

В качестве напыленных слоев можно использовать окислы металлов, например, ТiО₂ (п₂=2,62), окислы полупроводников, например, кварц SiО₂ (п₁=1,46), другие химические соединения, например, сернистый цинк (ZnS), фтористый магний (МgF₂) и др.

На первой границе раздела «воздух/первый слой» происходит отражение света без изменения фазы. Прошедший луч света доходит до второй границы раздела (п₁<п₂) и получает при отражении изменение фазы φ_отр=π. Общая сумма полученного фазового сдвига для колебания, вернувшегося к первой границе раздела, составит , т.е. это колебание окажется в фазе с отражающимся от первой границы раздела. Аналогичная ситуация будет проявляться для всех границ раздела и отражённых от них световых колебаний. В результате в зависимости от числа слоев N у зеркала получаются, хотя и различные, но частотно-зависимые коэффициенты отражения Г по напряжению (рис. 10.3).

Рис. 10.3. АЧХ селективного диэлектрического многослойного зеркала

В таких зеркалах можно получить значения Г до 0,99 и более. ОКГ будет генерировать на соответствующей толщинам слоёв длине волны (в данном случае на λ=0,63 мкм). Мощность индуцированной генерации в Не–NeОКГ составляет в зависимости от длины газоразрядной трубки от единиц до десятков мВт.

Четвертьволновой слой, прилегающий к стеклянной основе полупрозрачного зеркала с внешней стороны, необходим для согласования границы раздела «стекло–воздух». Его коэффициент преломления выбирается из условия

.

Это так называемое просветляющее покрытие.

Условия генерации ОКГ определяются выполнением условий баланса фаз (а) и баланса амплитуд (б):

а) , где q – целое число.

( – длина волны, – постоянная распространения).

, (10.1)

(10.2)

Условие (10.1) показывает, что в оптическом резонаторе длиной L должно укладываться целое число полуволн. Условие (10.2) напоминает, что открытый резонатор является многочастотым (многомодовым). Если ширина линии излучения (например у неона на λ≈0,63 мкм) окажется много шире, чем разность частот между модами , то излучение ОКГ будет многомодовым (рис. 10.4).

б) условие баланса амплитуд требует, чтобы общий коэффициент усиления при прохождении колебания через активную среду с учетом отражений от обеих зеркал (положительная обратная связь) был больше единицы:

или .

Откуда

. (10.3)

Здесь член получится из закона Бугера-Ламберта, а и – коэффициенты отражений от зеркал по мощности, α – показатель усиления среды (α > 0). Эти зеркала могут быть плоскими или сферическими. Наименьшие дифракционные потери будут у резонатора со сферическими зеркалами, у которых радиус R равен расстоянию L. Такой резонатор называется конфокальным. В нем число Френеля будет максимальным. Здесь – апертурный угол (под которым видно противоположное зеркало); – ширина главного лепестка диаграммы направленности зеркал; – диаметр каждого из них.

Расширение спектральной линии излучения Nе за счет эффекта Доплера приводит к многомодовому излучению и этого и всех газовых ОКГ (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Линия излучения активного вещества (газа) (а), АЧХ открытого резонатора (б)

и результирующий спектр газового ОКГ (в)

В качестве селективного зеркала в ОКГ на красителях (жидкостные ОКГ) может быть также использована дифракционная решетка на отражение (рис. 10.5).

Рис. 10.5. ОКГ с селективной дифракционной решеткой на отражение

В этой решетке отраженная длина волны λ_отр зависит от угла наклона Θ:

, (10.4)

где b – период решетки, m – порядок дифракции (т = 1,2,3…).

Дифракционная решетка позволяет настроить ОКГ на нужную линию излучения или перестраивать ОКГ в пределах сверхширокой линии излучения (например в жидкостных лазерах).

В качестве селективного элемента, имеющего зависимость угла преломления от длины волны, можно также использовать призму, позволяющую выделять необходимую линию излучения. Призма ставится внутри резонатора (между одним из зеркал и трубкой) так, чтобы плоскость зеркала была перпендикулярна лучу на выбранной длине волны λ после выхода из призмы.

Стеклянная трубка с активным веществом имеет скошенные выходные окна, обычно под углом Брюстера α, определяемому из соотношения

tg α = n₂₁,(10.5)

где n₂₁ – относительный показатель преломления плоскопараллельной стеклянной пластины.

В этом случае прошедший через пластину свет будет иметь поляризацию _~св в плоскости, ортогональной плоскости пластины (на рис.10.5 вектор _~св будет расположен вертикально).

При многомодовой генерации ОКГ моды не строго кратны по частоте ввиду «затягивания» частоты боковых мод к центральной. Поэтому излучение ОКГ в этом режиме некогерентно во времени, а амплитуда будет иметь АМ с произвольно изменяющейся частотой, близкой к разности частот между модами. Однако возможна синхронизация мод от внешнего генератора с частотой (например путем модуляции колебаниями с этой частотой тока накачки в газоразрядной трубке). В результате из набора мод получается укороченный ряд Фурье, соответствующий периодической последовательности импульсов колоколообразной формы. Таким образом, при синхронизации мод ОКГ переходит в режим генерации импульсов длительностью с периодом , где L – длина оптического резонатора, с – скорость света, п – коэффициент преломления активного вещества. Например, для Не–Ne ОКГ при L= 1 м получим при семи модах 1 нс с периодом 7 нс.

Наличие многомодового режима работы ОКГ не позволяет использовать излучение для высокоточных измерений. Они возможны при генерации одной моды. Для этого необходимо устройство для фильтрации мод (рис. 10.6) в виде двух оптических резонаторов с длиной L₁и L₂.

При дробном отношении перемещением одного из зеркал (например второго) можно добиться совпадения частоты одной из общих мод при несовпадении и частот других мод, которые будут иметь малую мощность (рис. 10.7) при соответствующем подборе мощности линии излучения Р_{лин изл}.

Рис. 10.6. Фильтрация мод в ОКГ двумя резонаторами различной длины

Рис. 10.7. Фильтрация одной центральной моды за счет

взаимодействия АЧХ двух резонаторов

Мощность генерации ОКГ зависит от степени инверсной населенности (от показателя |– α| активной среды) (см. выражение (10.3)), длины активной среды l и коэффициентов отражения Г зеркал (рис. 10.8), которые для получения максимума мощности должны подбираться оптимальными.

Рис. 10.8. Зависимость выходной мощности ОКГ от параметров активной среды

и коэффициентов отражения зеркал

КПД Не–NeОКГ составляет сотые доли процента.

Другим широко используемым газовым молекулярным ОКГ является лазер на углекислом газе СО₂, имеющий три разновидности:

− с продольным электрическим разрядом в трубке и продольной прокачкой смеси СО₂ и вспомогательных газов азота N₂ и гелия Не;

− поперечным электрическим разрядом и продольной прокачкой смеси газов;

− герметичной трубкой и добавлением в смесь газов паров воды Н₂О для восстановления СО₂ из СО, образующегося за счет окисления азота углекислым газом.

Инверсная населенность в СО₂ на верхнем колебательном уровне достигается за счет его резонансного взаимодействия при столкновениях с азотом N₂ на близком по энергии уровне. Азот переходит в верхнее энергетическое состояние из-за столкновений с электронами при электрическом разряде между катодом и анодом. Переходы в СО₂ на нижеследующий сдвоенный уровень сопровождаются излучением квантов на λ₁=10,6 мкм и λ₂=9,6 мкм. Со сдвоенного уровня осуществляются спонтанные переходы на промежуточный уровень с большим временем жизни. Его опустошение и возврат СО₂ в основное состояние происходит за счет столкновения с добавленным в смесь гелием.

Особенность первого варианта ОКГ на СО₂ – большие мощности генерации в непрерывном режиме (единицы кВт), однако и длина трубки при этом достигает десятков метров. Из-за больших токов газоразрядная трубка изготавливается из корунда (Al₂O₃) или бериллиевой керамики (ВеО) с высокими теплопровод-ностями. На трубке расположена внешняя оболочка, через которую пропускается проточная вода для охлаждения трубки, где при КПД этого ОКГ около 10 % выделяются десятки кВт тепловой мощности. Этот лазер обычно используется в технологических целях для резки и сварки тугоплавных материалов.

Второй тип лазера на СО₂ намного компактнее и возбуждается поперечным импульсным газовым разрядом, генерируя импульсы длительность 1 мкс с энергией до 10 Дж (мощность в импульсе до 10 МВт). В зарубежной литературе этот тип лазера называется аббревиатурой ТЕА (Transversly Exeited Atmospheric pressure – поперечное возбуждение при атмосферном давлении). В непрерывном режиме достигнуты мощности генерации единицы киловатт.

В третьей разновидности ОКГ на СО₂ в герметичной газоразрядной трубке к смеси газов добавлены пары воды, которая реагируя с СО, образующегося из СО₂ после реакции с N₂ (и появления окисла N₂О), восстанавливает СО до СО₂, а выделяющийся водород Н₂ восстанавливает N₂О до N₂ и преобразуется снова в Н₂О. Этот тип ОКГ на СО₂ изготавливается в виде трубок (с зеркалами) длиной около 10 см при мощности 1÷2 Вт и применяется для ИК-линий связи.

Из других типов газовых лазеров необходимо отметить следующие. Это похожий на Не–Neатомарный гелий-кадмиевый (НеСd) лазер, где Не также применяется как вспомогательный газ для создания инверсной населенности в парах атомов Сd, излучающего на λ₁=0,44 мкм (синий цвет) и λ₂=0,32 мкм (УФ). Этот ОКГ обычно используется для лабораторных исследований. При мощности генерации десятки мВт его КПД меньше 0,1 %.

Более широко применяется в лабораторных исследованиях газовый ионный ОКГ на аргоне (Аr), излучающий на нескольких линиях, наиболее интенсивные из которых на λ₁=0,51 мкм и λ₂=0,49 мкм (сине-зеленый цвет). Его мощность генерации при возбуждении газовым разрядом достигает 10÷15 Вт при КПД около 1 %, что также требует его охлаждения.

Наиболее мощные (десятки кВт) газовые молекулярные лазеры реализованы на парах возбужденных галогеноводородов (химические лазеры): НСl^* (λ_изл=3,7 мкм), НF^* (λ_изл=2,7 мкм), НВr^* (λ_изл=4,2 мкм), DF^* (λ_изл=4,3 мкм). Энергия уровней определяется колебательно-вращательными состояниями. В этих ОКГ сначала происходит реакция преобразования молекул F₂, Сl₂, Вr₂ в атомы (например, F₂+NО=NОF+F). Далее атомарный фтор F реагирует с водородом Н₂ с образованием возбужденного галогеноводорода (F+Н₂=НF^*+Н), который подается в рабочее пространство с набором зеркал (выходное–полупрозрачное), из которо-го происходит откачка паров галогеноводорода. Эти ОКГ также используются для технологических целей. Ввиду преобразования энергии химических реакций в генерацию условный КПД химических ОКГ составляет сотни процентов.

Разнообразие типов молекулярных ОКГ весьма велико: это и СО-лазер (излучение на λ=6,5 мкм), УФ-лазеры на азоте N₂ (λ_изл≈0,34 мкм) и водороде Н₂ (λ_изл≈0,12 мкм). УФ-лазеры имеют широкое применение: от лабораторных (накачка других ОКГ) до промышленно-технологических целей. Они требуют соблюдения строгих мер безопасности во избежание поражения зрения и кожи от УФ-излучения.

В заключение рассмотрим важный тип молекулярных ОКГ – это эксимерные лазеры на возбужденных галогенидах инертных газов АrСl^*, АrF^*, КrF^*, КrСl^*, КrВr^*, ХеСl^*, ХеF^*, излучающих в диапазоне УФ от 0,17 до 0,35 мкм. Эти соедине-ния (димеры) возможны только в возбужденном состоянии (эксимер – excited dimmer – устойчивый димер), которое создается при повышенном давлении (единицы атмосфер) с помощью электронного пучка, газового разряда или комби-нированным методом. На рис. 10.9 приведен эскиз конструкции импульсного эксимерного газового ОКГ с устойчивым тлеющим разрядом с энергией излуче-ния до 1 Дж при длительности импульса 10÷20 нс напряжением 100 кВ и более (импульсная мощность до 100 МВт).

Рис. 10.9. Эскиз конструкции газового эксимерного ОКГ с тлеющим разрядом

Созданы эксимерные лазеры на импульсные мощности в сотни Дж при импульсных напряжениях в единицы МВ, что требует соблюдения мер безопас-ности, особенно от рентгеновского излучения и УФ.

Твердотельные ОКГ

Первый созданный твердотельный ОКГ – ионный лазер на рубине (корунд Al₂O₃+Сr³⁺), в котором имеется сдвоенный широкий по энергии верхний уровень, сдвоенный «узкий» промежуточный уровень, с которого и происходят переходы на основной уровень с излучением квантов на λ≈0,69 мкм. Накачка на третий «широкий» сдвоенный уровень осуществляется ксеноновой импульсной лампой-вспышкой с широким по длинам волн спектром излучения (эквивалент трехуров-невой схемы получения инверсной населенности). Для повышения КПД накачки рубиновый стержень (длина 10÷30 см, диаметр 10÷30 мм) и лампа помещаются в фокусы эллиптического зеркального отражателя. Энергия излучения этого ОКГ составляет 1÷10 Дж, мощность в импульсе достигает единиц МВт. Аналогичен этому лазеру по всем параметрам ОКГ на кристаллах александрита (хризоберилл ВеAl₂O₄+Сr³⁺), излучающего на длинах волн 0,7÷0,82 мкм.

Ввиду широких линий излучения у многих твердотельных ОКГ генерация в них также будет проходить в многомодовом режиме. Разность частот между модами Δf необходимо определять с учетом коэффициента преломления п, уменьшающего скорость распространения света в стержне: , где L – длина стержня (оптического резонатора).

Однако рекорды по энергии и мощности излучения побили твердотельные ОКГ на ниодиме (Nd³⁺) с излучением на λ=1,06 мкм. Первый его вариант изготавливается на основе алюминий-иттриевого граната (АИГ) с введением ионов Nd³⁺. Он имеет относительно узкую линию излучения и может исполь-зоваться для накачки других ОКГ, в технологических целях (скрабирование, сварка, резка) или в оптических системах связи. Второй вариант этого ОКГ на ниодимовом стекле имеет широкую линию излучения и при соответствующей мощной импульсной оптической накачке может излучать в импульсе энергию десятки кДж, что дает мощность при длительности импульса в доли наносекунды сотни ТВт и более. Такие ОКГ могут использоваться не только в технологи-ческих, но и в военных целях.

Широкое применение начинают сейчас находить твердотельные волоконно-оптические усилители (ВОУ) и генераторы (ВОГ). Основное их применение – волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). В качестве активных веществ в этих ОКГ и ОКУ используются ионы редкоземельных элементов (Еr³⁺ – эрбия, Yb³⁺ – иттербия, Тт³⁺ – тулия, Рr³⁺ – празеодима и др.), введенные в кварцевое стеклянное волокно с добавками. В зарубежных публикациях их обозначают как RЕD-компонента (Rare Earth-Doрed – редкоземельные примеси). Соответственно называют и ОКГ (DFL – Dopel Fiber Lasers – примесные волоконные лазеры) и ОКУ (DFА – Dopel Faber Amplifier – примесные волоконные усилители). В качестве примера построения твердотельного ВОУ рассмотрим усилитель на эрбии. Последний имеет не менее восьми уровней энергии. В ОКУ используется переход с основного уровня на третий из двух близко расположенных уровней с накачкой на λ≈1,48 мкм от ВОГ на тулии (где инверсия достигается накачкой от неодимового ОКГ на кристалле АИГ с λ≈1,064 мкм). После безызлучательных переходов на второй снизу уровень индуцированные переходы с этого уровня на основной возможны на λ=1,55 мкм.

Схема построения ОКУ на эрбии приведена на рис. 10.10. Диаметр оптоволокна составляет единицы-десятки микрон. Его помещают в защитную оболочку.

Рис. 10.10. Схема твердотельного волоконного ОКУ на эрбии

Коэффициент усиления и выходная мощность такого ОКУ зависит от мощности накачки. Усиление начинается при достижении состояния инверсной населенности при мощности накачки больше пороговой (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Зависимость коэффициента усиления ОКУ на эрбии от мощности накачки

ОКГ на оптоволокне реализуется добавлением полупрозрачного и непрозрачного зеркал на торцы оптоволокна. Иногда в ОКГ вводят многослойные диэлектрические зеркала-фильтры для блокирования мешающих работе ОКГ линий излучения.

Применение ВОУ существенно упрощает задачу усиления сигналов в ВОЛС без применения дорогостоящих ретрансляторов. Реализация ВОУ и ВОГ на λ≈1,55 мкм выгодно ещё и тем, что оптоволокно имеет на этой длине волны минимальное затухание (доли дБ на километр).

Жидкостные ОКГ

В этих лазерах в качестве активных веществ используются обычно органи-ческие красители (например родамин-6ж с генерацией на λ=0,55–0,64 мкм), растворенные в спирте или дистиллированной воде, а также редкоземельные соединения в растворах. Достоинство этих лазеров – большой энергосъем на единицу длины, возможность работы в непрерывном и импульсном режимах, возможность перестройки по частоте с помощью дифракционной решетки (рис. 10.5), высокий КПД (десятки процентов), большая энергия в импульсе (до сотен Дж), значительная мощность генерации в непрерывном режиме (десятки Вт), охлаждение за счет прокачки раствора через трубку.

Особенность жидкостных ОКГ – широкие полосы поглощения и излучения (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Схема энергоуровней в жидкостном ОКГ на красителях

Основными рабочими уровнями являются «широкие» энергоуровни W₀ и W₁. Максимум спектра поглощения сдвинут вверх по частоте, а излучения – вниз (сдвиг Стокса), хотя они перекрываются. Это синглетные уровни S₀, S₁, а также S₂, связанные с единичным состоянием спинов электронов. Имеющийся выше уровень S₂ может вызывать «паразитное» поглощение квантов накачки. Такое же «паразитное» поглощение возможно между триплетными уровнями Т₁-Т₂ (тройственное состояние спинов). Возможны также безызлучательные переходы S₁→Т₁ с большим времени жизни на Т₁. Поэтому в раствор с красителем необходимо добавлять непредельные углеводороды (С₈Н₈, С₁₀Н₁₂ и др.) для быстрого перевода молекул красителя с уровня Т₁ в состояние S₀ за счет столкновений с ними молекул углеводородов.

Для работы жидкостных ОКГ может использоваться оптическая накачка импульсной лампой, импульсным лазером УФ-диапазона, ОКГ в непрерывном режиме генерации (например аргоновый лазер диапазона 0,49-0,52 мкм). Для устойчивой и длительной работы жидкостного ОКГ (без разложения красителя) обычно создают прокачку раствора с красителем через рабочую трубку. Этим же осуществляется и охлаждение раствора. Жидкостные ОКГ часто используются для лабораторных экспериментов.