О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 23

Страницы:
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  31  32  33  34  35  36  37 

Для підвищення швидкодії акустооптичних закривів вико­ристовують світлові пучки з малим радіусом горловини, за умо­ви розташування закриву в місці горловини. Імпульсне накачу­вання призводить до перегрівання та руйнування закриву.

Оптико-мехашчна модуляція втрату резонаторi

Оптико-механічна модуляція втрат у резонаторі базується на принципі механічного відкриття непрозорого дзеркала резо­натора у відповідний момент часу. Типові схеми показані на рис.

6.12.

Дискові закриви (рис. 6.12 а) виконуються у вигляді тон­кого металевого диска з одним або кількома отворами, іноді вирізом-сектором. Для скорочення часу перемикання в резо­наторі з плоскопаралельними дзеркалами використовують дві співфокусні лінзи Лі)2, які звужують перетин пучка випроміню­вання до часток міліметра. Недоліками дискових закривів є ве­ликий час перемикання, до кількох мікросекунд, та обгоряння країв отворів.

Саме тому більш широке використання отримали модуля­тори із дзеркалами, решітками або призмами, що обертаютьсяДЗ2
ac

 

 

 

б)
Призма


ДЗі


acв)


г)


IРисунок 6.12 Схеми реалізації оптико-механічних способів модуляції втрат у резонаторі

 

 

(рис. 6.12 б, в, г). Частіше використовуються призми "дахи" через малу чутливість до вібрацій осі двигуна та стійкість до дії потужного випромінювання.

Ураховуючи високі швидкості обертання, 30-103 80-103 обертів за хвилину, виготовлення закривів вимагає якісного ба­лансування всіх елементів. Розмістити призму необхідно таким чином, щоб ребро поділяло діаметр пучка навпіл, оскільки змі­щення центрування на 10% зменшить вихідну потужність на 20%. Синхронізація часу вмикання добротності й систем на­качування здійснюється за допомогою фотоелектричних, еле­ктромагнітних та електророзрядних пристроїв [29].

Поворот призми, при якому добротність зменшується удві­чі, відповідає кутовій хвилині, що і визначає при номіналь­них обертах великий час перемикання. Введення додаткових елементів дозволяє збільшити ефективну швидкість обертання призми при незмінній реальній. Наприклад, схема, подана нарис. 6.12 г, дозволяє збільшити ефективну швидкість удвічі по­рівняно з первинною (рис. 6.12 в) [27].

Узагалі, незважаючи на вказані недоліки, призми обертання внаслідок надійності, малої чутливості до температурних змін та простоти налаштовування знайшли широке застосування.

 

6.7.   Модуляція підсилення

 

Модуляція підсилення, як і модуляція добротності, дозволяє генерувати імпульси лазерного випромінювання малої тривало­сті (кілька десятків та сотень наносекунд) високої пікової поту­жності [19]. Проте на відміну від модуляції добротності, при якій перемикаються втрати, для модуляції підсилення різко переми­кається підсилення до високих значень.

Модуляція підсилення має здійснюватися за допомогою на­стільки короткого імпульсу, щоб інверсійна заселеність та під­силення в активному середовищі значно перевершували поро-гове значення раніше, ніж сформується мода в резонаторі й не спустошить інверсію.

Модуляція підсилення за характером аналогічна пічковій генерації в лазері, яка була розглянута раніше, але накачування на практиці має дзвоноподібну форму імпульсу. Максимум сві­тлового пічка відповідатиме спаду імпульсу накачування. При невиконанні цього стає можливим генерація додаткового ім­пульсу як для повільного перемикання закриву в режимі моду­ляції добротності. Таким чином, існує деяка оптимальна трива­лість імпульсу для значення максимальної швидкості накачува­ння. При збільшенні швидкості накачування — швидше зростає кількість фотонів, які формують моду, тому потрібно зменши­ти тривалість імпульсу накачування. Для чотирирівневих лазе­рів типовий час зростання інтенсивності випромінювання, за­лежно від максимальної швидкості накачування, можуть стано­вити 5тс 20тс, що і визначає тривалість імпульсу накачування.Максимальне значення інверсії може в 4 — 10 разів перевищу­вати порогове значення, що визначає можливість генерації ім­пульсів високої пікової потужності та малої тривалості.

Найбільш поширеними лазерами, які працюють у режимі модуляції підсилення, є ТЕА- лазер, СО2 -лазер. Хоча будь-який лазер може генерувати в цьому режимі при достатньо ко­роткому та інтенсивному імпульсі накачування.

 

 

6.8.   Провал Лемба

 

Під неоднорідно розширеною лінією можна розуміти таку лінію, в якій різні атоми беруть участь у підсиленні в різних ча­стинах цієї лінії. Прикладом може бути випадок, коли доплерів-ська ширина лінії підсилення набагато перевищує природну, а ймовірність зіткнень атомів між собою набагато менша за ймо­вірність спонтанного розпаду збуджених станів. У цьому ви­падку явище насичення буде супроводжуватися наявністю про­валів на лінії підсилення [34]. Саме наявність двох та більше провалів може привести до "відштовхування" частоти гене­рації, при збільшенні потужності, та зсуву частоти биття у бік більших значень. Потужність, що генерується в типі коливань, пропорційна добутку глибини та ширини провалу. Ширина про­валу майже дорівнює природній ширині переходу.

Відомий фізик У. Є. Лемб у 1964 році теоретично передба­чив ці ефекти в газових одномодових лазерах, при доплерів-ському розширенні лінії підсилення середовища. Випроміню­вання буде взаємодіяти лише з атомами, які знаходяться в ре­зонансі з електромагнітною хвилею, або атомами, частоти яких знаходяться в межах однорідно розширеної спектральної лінії. Тому частка частинок, що взаємодіють із полем, буде визна­чатися відношенням однорідної ширини до доплерівської [18], [19]. При збудженні газових частинок відбувається істотний пе­рерозподіл за швидкостями, що призводить до зміщення часто-ДЗ,


I


I


ДЗ2-v


G> ♦лЛЛЛЛЛЛ

v

P = I Sn(l-r)

лА/mhРисунок 6.13 Схема насичення підсилення в газовому лазері з доплєрівським розширеним переходом

 

 

 

ти згідно з ефектом Доплера. Потужна хвиля випромінювання призводить до появи насичення підсилення та випалює в конту­рі шдсилення провал на частоті поля (ефект Баннета [19]). Мо­да резонатора є суперпозицією двох однакових хвиль, що по­ширюються одна назустріч іншій. Кожна хвиля випалюватиме свій провал і взаємодіяти з атомами, які мають швидкості від­повідно до

 

v = ±        c. (6.14)

 

Хвиля, що поширюється праворуч, буде взаємодіяти з атомами, які рухаються ліворуч, і навпаки (рис. 6.13).

Таким чином, мода приводитиме до насичення підсилення двох груп атомів, які рухаються зі швидкостями (6.14), і в роз­поділенні утворюються два провали, розміщені симетрично до -0, як це показано на рис. 6.14 а.

У разі плавної перебудови частоти, наприклад, зміною дов­жини резонатора на величину, що дорівнює половині довжи­ні хвилі, можна налаштуватися на центральну частоту конту­ру підсилення, при цьому обидва провали збігаються з одиним (рис. 6.14 б). Цей ефект широко використовується для стабілі­зації частоти генерації лазерного випромінювання.
Питання для самостійного контролю

1.  Дайте класифікацію рєжимів роботи лазерiв та мазерiв.

2.  Поясніть фізику процєсів просторового випалювання ді­рок.

3.  За рахунок чого в лазері Ліфшиця відбувається протидія просторовому випалюванню дірок, які ще засоби використову­ються для цього?

4.  Поясніть фізику процесів частотного випалювання дірок.

5.  Наведіть та поясніть часові критерії класифікації режимів роботи лазерів та мазерів.

6.  Перелічіть вимоги для встановлення безперервного ре­жиму генерації лазерів.

7.  Наведіть часову діаграму та дайте коротке пояснення фі­зичних процесів, які відбуваються під час роботи лазера в ре­жимі вільної генерації і режимі регулярних пічків.

8.  Наведіть часову діаграму та дайте коротке пояснення фі­зичних процесів, які відбуваються під час роботи лазера в ре­жимі вільної генерації і режимі нерегулярних пічків.

9.      Наведіть часову діаграму та дайте коротке пояснення фі­зичних процесів, які відбуваються під час роботи лазера в ре­жимі модульованої добротності.Якими фізичними процесами обмежуються інтервал ча­су створення великих втрат у резонаторі та час перемикання за-криву пристроїв модуляції добротності?

10.  Поясніть фізику процесів формування кількох імпуль­сів випромінювання, при повільному перемиканні закриву при­строїв модуляції втрат в резонаторі.

11.  Дайте коротке пояснення фізичних процесів, які відбу­ваються під час роботи лазера в режимі синхронізації мод.

12.  Що необхідно для реалізації режиму синхронізації мод, до якого режиму генерації він належить?

13.  Перелічіть та поясніть два варіанти формування надко-ротких імпульсів у режимі синхронізації мод.

14.  Які чинники впливають на тривалість імпульсу випромі­нювання в режимі синхронізації мод?

15.  Які переваги в потужності вихідного випромінювання надає режим синхронізації мод порівняно зі звичайним багато-модовим режимом?

16.  Охарактеризуйте особливості амплітудної модуляції ре­жиму синхронізації мод.

17.  Охарактеризуйте особливості частотної модуляції режи­му синхронізації мод.

18.  Порівняйте недоліки та переваги режимів синхронізації мод та режиму модульованої добротності.

19.  Які комбінації методів використовуються для поліпшен­ня параметрів вихідного випромінювання лазерів, які працюють у режимах модульованої добротності та синхронізації мод?

20.  Наведіть схему та дайте пояснення фізичних процесів, які відбуваються підчас роботи лазера в режимі розвантаження резонатора.

21.  Поясніть відмінності в роботі лазера в режимі розванта­ження резонатора, у випадках повного та неповного розванта­ження резонатора вихідним дзеркалом.

23.       Дайте класифікацію пристроїв модуляції втрат у резона-торі.

24.   Перелічіть, наведіть схеми реалізації закривів, їх хара­ктеристики, недоліки та переваги.

25.   Поясніть та охарактеризуйте метод модуляції підсилен­ня.

26.   Поясніть фізику процесів, які приводять до виникнення ефекту провалу Лемба в одномодових газових лазерах.

Яке практичне використання має ефект провалу Лемба у квантових генераторах?Розділ 7

ОСНОВНІ ТИПИ ПРИЛАДІВ КВАНТОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

7.1.   Квантовi парамагштш пiдсилювачi

 

Спонтанне випромінювання є єдиним джерелом шумів, яке принципово неможливо видалити. Потужність спонтанного ви­промінювання в радіодіапазоні дуже мала. Саме тому мазе­ри, або квантові підсилювачі, відрізняються виключно низьким рівнем власних шумів. Це стало можливим завдяки виключен­ня із процесів підсилення електронного потоку, електрони якого генеруються при високих температурах і з розкидом за напрям­ками та значеннями їх швидкості. Крім цього, мазери радіодіа­пазону працюють при температурах, близьких до абсолютного нуля, що істотно знижує шуми за рахунок теплового руху еле­ктронів. З цієї причини квантові підсилювачі використовуються як вхідні пристрої для підсилення дуже слабких сигналів у ра­діоприймальних пристроях діапазону від 4 мм до 50 см. Во­ни істотно збільшили дистанцію космічних ліній зв'язку, плане­тних радіолокаторів та радіотелескопів. За допомогою мазерів було відкрито космічне реліктове випромінювання, проведена радіолокація планет Сонячної системи, досліджено спектраль­ні лінії космічного радіовипромінювання, квазарів та ядер гала­ктик [17], [61]— [65].

Квантовим парамагнітним підсилювачем (КПП) називають такий пристрій, у якому збільшення енергії електромагнітної хвилі відбувається за рахунок індукованого випромінювання при електронному парамагнітному резонансі речовини, що зна­ходиться в активному стані [17], [61]— [65].

Електронний парамагнітний резонанс був винайдений Є. К. Завойським у 1944 році й означає резонансне поглинання електромагнітної енергії в сантиметровому і міліметровому діапазонах довжин хвиль речовинами, які мають парамагнітнічастинки. Це застосовується у радіоспектроскопії і є окремим випадком магнітного резонансу. Як парамагнітні частинки звичайно використовують атоми та молекули з непарною кількістю електронів (атоми азоту та водню, молекули NO), вільні радикали (CH3), іони із частково заповненими внутрі­шніми електронними оболонками (іони перехідних елементів), центри забарвлення у кристалах, атоми домішок (донори в напівпровідниках), електрони провідності у металах та напівпровідниках.

З'ясувалося, що найбільш зручними речовинами для пара­магнітних підсилювачів виявилися діамагнітні кристали з не­великою домішкою парамагнітних іонів. Як правило, це рубін A/2O3 : Cr3+, рутил TiO2 : Cr3+,Fe3+, ізумруд Be3Al2(SiO3)6 : Cr2O3, вольфромати MgWO4 : Cr3+, Fe3+, ZnWO4 : Cr3+, Fe3+ ,CdWO4 : Cr3+, Fe3+. Застосовуються користали об'ємом кілька см3, отримані штучно з точною дозою домішок парамагнітних іонів [17], [61]— [65].

За відсутності зовнішніх електромагнітних полів магнітні моменти іонів зорієнтовані хаотично. У постійному магнітному полі магнітний момент може розташовуватися лише під деяки­ми визначеними кутами до магнітного поля. Утворюється су­купність рівнів енергії (магнітні проміжні рівні), відстань між якими залежить від значення магнітного поля (ефект Зеємана). Кількість магнітних проміжних рівнів визначається спіном іона.

Згідно з квантовими законами магнітне квантове число мо­же набувати 2 J +1 значень, а змінюватися на одиницю, що і ви­значає дискретну зміну (розщеплення) енергетичних станів під дією магнітного поля, що проілюстровано на рис. 7.1 [61].

Таким чином, дозволені зміни енергії AE дорівнюють [61]:

 

 

 

 

де gj фактор Ланде, у багатьох випадках він дорівнює двом.
Тоді відповідна частота переходу може визначатися як

 

 

 

Якщо атом із магнітним моментом розмістити у магнітно­му полі, то на нього діятиме обертальний момент, пропорцій­ний магнітному моменту, індукції зовнішнього магнітного поля та куту в між ними. В результаті цього магнітний момент бу­де обертатися навколо вектора магнітного поля з ларморовою частотою vL, що дорівнює (7.2). Якщо напрямок обертання ве­ктора ~B (зовнішнє електромагнітне поле має колову поляри­зацію) магнітного поля протилежний напрямку обертання ве­ктора магнітного моменту, то в середньому дія зовнішнього по­ля В дорівнюватиме нулю. Той самий результат отримуємо для протилежних напрямів векторів, але за умови відмінності ча­стоти електромагнітних коливань та частоти прецесії vL. Збіг частот v = vL при однаковому напрямку обертання призво­дить до відхилення сумарного вектора магнітної індукції від на­прямку зовнішнього магнітного поля. Як наслідок, при опро­міненні парамагнітної речовини, що знаходиться в постійному магнітному полі, електромагнітною енергією із частотою vL бу­де спостерігатися поглинання цієї енергії парамагнітний ре-зонанс[17], [61]— [65].

Існують декілька типів конструкцій квантових парамагні­тних підсилювачів: резонаторні підсилювачі, які, у свою чергу, поділяються на резонаторні підсилювачі прохідного та цирку­ляційного типів, а також квантові підсилювачі рухомої хвилі, конструкційні схеми яких наведено на рис. 7.2.

Конструкційна схема резонаторного КПП представлена на рис. 7.2 а [61]. Парамагнітний кристал розміщений у спеціаль­ному двочастотному резонаторі, до якого приєднується хвиле­від довжиною nXx/2, де Xx довжина хвилі типу ТЕю нала­штованого на частоту накачування. Резонатором для сигналу, що підсилюється, є відрізок смугової лінії довжиною Ac/4, де Ac довжина хвилі типу TEM на частоті сигналу.

Сигнал, що підсилюється, підводиться до резонатора через вхідний хвилевід, або коаксіальний фідер, проходить активну речовину та через вихідний фідер відводиться до навантажен­ня. Така будова резонатора використовується в підсилювачах прохідного типу.

У підсилювачах циркуляторного (відбивного) типу для вво­ду та виводу сигналу використовується один фідер (рис. 7.2 б). Для розв'язки вхідних та вихідних кіл використовується спе­ціальний пристрій феритовий циркулятор. Особливість цьо­го приладу полягає в тому, що сигнал із вхідного плеча I може потрапити тільки в плече II, що веде до резонатора, а відбитий сигнал з плеча II — тільки в плече III, поєднане з навантажен­ням. Розв'язка між вхідною та вихідною лініями (плечі I та III) зазвичай становить 25—30 дБ.

Іншу схему має коливальна система в КПП рухомої хви­лі (рис. 7.2). Сигнал, що підсилюється, підводиться до відрізка хвилеводу, всередині якого розташована система сповільнення хвилі стрижневого або іншого типу.

По один бік від структури сповільнення хвиль розміщується
парамагнітний кристал, а по інший вентильний кристал, що забезпечує розв'язку пристрою. Застосування структури спо­вільнення дозволяє зменшити швидкість електромагнітної хви­лі в десятки або сотні разів й тим самим отримати необхідну ефективність взаємодії хвилі з активною речовиною при довжи­ні парамагнітного кристала у десятки або сотні разів менше тієї, яка знадобилася б для того самого ефекту у вільному просторі. Активну речовину розміщують у тій частині системи сповільне­ння, де високочастотне магнітне поле, що утворюється сигна­лом, має колову поляризацію. Це забезпечує так звану невза­ємну взаємодію поля сигналу з парамагнітним кристалом: еле­ктромагнітна хвиля, рухома від входу системи сповільнення до її виходу, ефективно взаємодіє з речовиною, викликаючи інтен­сивне індуковане випромінювання, пов'язане з парамагнітним резонансом. Хвиля, відбита від виходу системи сповільнення, з парамагнітним кристалом майже не взаємодіє.

Страницы:
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  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка