Конструкция КПУ и их параметры

 

КПУ как и всякие усилители СВЧ диапазона, подразделяются на усилители резонансного типа и усилители типа бегущей волны [4]. В соответствии с принципом действия конструкция КПУ должна включать резонатор или замедляющую систему, электромагнит из сверхпроводников для создания поля необходимой величины, генератор накачки с перестраиваемой частотой, систему вентилей для обеспечения нужного направления потока электромагнитной энергии.

На рис. 2.2 показан проходной резонаторный КПУ.

Рис. 2.2 - Устройство проходного резонатора КПУ:

1. Резонатор; 2. Парамагнетик; 3. Генератор накачки; 4. Ферритовый вентиль; 5. Аттенюатор; 6. Вход мощности накачки; 7. Линия передачи входного сигнала; 8. Линия передачи выходного сигнала; 9. 10.Сосуды Дьюара; 11.Магнит.

 

Генератор накачки через развязывающий ферритовый вентиль и аттенюатор, регулирующий уровень мощности накачки, подключается к резонатору.

Для уменьшения коэффициента шума, увеличения коэффициента усиления и КПД КПУ резонатор и частично СВЧ линии охлаждаются до температуры жидкого гелия (4,2К). Для этого они помещаются в криостат, образованный двумя сосудами Дьюара, из которых внутренний заполнен жидким гелием, а внешний - жидким азотом [6].

Под действием постоянного магнитного поля в кристалле рубина (парамагнетик) происходит Зеемановское расщепление энергетических уровней ионов хрома. Изменяя ориентацию кристалла или величину магнитного поля выбирается диаграмма расщепленных уровней, рабочий переход и переход накачки. Под действием сигнала накачки в кристалле возникает инверсия населенностей уровней. Входной сигнал, проходя через активный кристалл, вызывает вынужденные переходы, благодаря чему и происходит его усиление.

Квантовые парамагнитные усилители обладают очень низким уровнем шумов и высокой чувствительностью. Поэтому КПУ используют в качестве высокочувствительных СВЧ усилителей. В то же время они представляют собой довольно громоздкие устройства. Поэтому КПУ эксплуатируются в стационарных установках в радиоастрономии, сверхдальней космической связи, радиолокации и т.п. Резонаторные КПУ на частотах 1-10 ГГц при использовании рубина имеют коэффициент усиления 15-30 дБ и полосу менее 1%.

 

Глава 3. Твердотельные и жидкостные лазеры

 

Лазеры на рубине

 

Лазер на рубине исторически был первым твёрдотельным лазером (760г.). Основу рубина составляет корунд - окись алюминия (А1₂Оз), в кристаллической решётке которого часть ионов алюминия (0.015...0.05%) замещена ионами трёхвалентного хрома Сr³⁺.

 

Рис. 3.1 - Концептуальная диаграмма

Диаграмма энергетических уровней хрома приведена на рисунке 3.2. Уровень 1 соответствует основному (невозбуждённому) состоянию ионов хрома [7]. При облучении кристалла рубина светом мощной ксеноновой лампы накачки ионы хрома поглощают излучение и переходят из основного состояния 1 на два широких уровня 3. В результате теплового взаимодействия с кристаллической решёткой через 10^-7...10^-8с после возбуждения происходит спонтанный безызлучательный переход ионов хрома в метастабильное состояние, соответствующее подуровням 2 (время жизни на этих двух уровнях велико и составляет примерно 3 ּ10^-3с). Это позволяет накапливать на уровнях 2 большое количество активных частиц, т.е. уровни 2 будут инверсно населены относительно уровня 1.

Теперь, при наличии положительной обратной связи в резонаторе лазера достаточно появления первичных спонтанных переходов ионов хрома с одного из подуровней 2, чтобы возникло излучение либо с λ=0,6963 мкм, либо с λ = 0,6929 мкм. При этом чаще всего реализуется режим с излучением на волне λ = 0,6943 мкм, поскольку он отличается более низким порогом генерации.

 

 

Рис. 3.2 - Диаграмма энергетических уровней хрома [4]

 

Режим свободной генерации может быть при непрерывной и импульсной накачках. В этом режиме формирование импульсов излучения начинается с момента достижения порога генерации и длится в течение всего периода действия накачки. Длительность импульсов излучения составляет десятки микросекунд. Этот режим применяется для получения больших энергий в импульсе, которая колеблется от долей джоуля до 400 Дж. Частота повторения импульсов для разных типов генераторов 0,005..5Гц, средняя мощность генераторов равна 0,1..30 Вт.

Во всех лазерах для охлаждения элементов используется замкнутая система водяного охлаждения. Лазеры такого типа применяются в основном для технологических целей - сверления отверстий, резки, плавки, сварки тугоплавких металлов.

Этот режим используется для получения коротких (10...50 нс) импульсов излучения с крутым фронтом [6]. Этот режим обеспечивается введением между непрозрачным зеркалом резонатора и активным элементом (рубином) светового затвора, который в интервале времени от начала импульса световой накачки до момента достижения максимальной инверсии населённости уровней в активной среде вносит в резонатор большие потери.

В зависимости от способа управления потерями (коэффициентом пропускания) различают несколько типов световых затворов: оптико-механический, фототропные (фототропность - свойство веществ менять прозрачность под воздействием света), электрооптические и акустооптические.

Импульсная мощность, получаемая при длительности импульсов порядка 15...20 нс доставляет 10⁶...10⁷ Вт. При этом в конструкциях лазеров на рубине наибольшее распространение получили оптико-механические и акустооптические затворы.

Твёрдотельные лазеры применяются в технологии; в военной технике в качестве передатчиков лазерных дальномеров; в системах самонаведения ракет, бомб и снарядов; в лазерной локации; в системах подводного наблюдения; в метеорологии.

Лазеры на жидкостях

 

Лазеры на основе растворов красителей (ЛК) занимают особое место прежде всего благодаря присущей этим активным средам большой ширине линий излучения, что позволяет создавать на их основе генераторы оптического когерентного излучения, перестраиваемые в большом оптическом диапазоне.

Для накачки ЛК используется как излучение лазеров других типов, так и излучение некогерентных источников - ламп накачки.

По принципу действия ЛК - четырёхуровневые системы, так как в структуре их энергетических уровней нижний лазерный уровень не совпадает с основным невозбуждённым уровнем, а находится несколько выше него, что предопределяет низкий порог возбуждения ЛК.

Важным преимуществом жидкой активной среды является отсутствие технологических трудностей, связанных с изготовлением активной среды, в которой к тому же отсутствуют потери излучения из-за неоднородностей структуры [9].

Наиболее эффективно ЛК работают в режиме излучения коротких импульсов длительностью порядка 10... 20 нс.

Число красителей, генерирующих в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области спектра, исчисляется многими десятками. В лазерах на основе органических красителей используются растворы родамина, пиронина, трипафлавина, карбостирила, кумарина. Растворителями служат вода, спирты, глицерин.

Кроме растворов органических красителей используются растворы редкоземельных хелатов и растворы неорганических соединений редкоземельных элементов. Редкоземельные хелаты представляют собой сложные органические комплексы, в которых ионы редкоземельного элемента находятся в окружении атомов кислорода, принадлежащих к органическим молекулам. Из них наиболее перспективен бензолацетанат европия. Длина волны излучения λ = 0,65 мкм.

В лазерах на неорганических соединениях используются растворы солей неодима Nd в оксихлориде селена SeOCl₂.

Конструкция жидкостного лазера подобна конструкции твёрдотельного с тем отличием, что вместо стержня в резонатор помещается кювета с раствором. Инверсия, как и в твёрдотельном лазере, осуществляется с помощью оптической накачки от импульсных ламп. Средняя мощность излучения достигает 380 Вт, а импульсная 50 МВт (в режиме модуляции добротности).

 

Заключение

 

Широкий спектр применения квантовых оптических приборов позволяет решать многие задачи, лежащие как в областях проектирования электроаппаратуры, так и в областях технологии её производства.

Внедрение гетероструктур позволило не только улучшить основные характеристики полупроводниковых лазеров, но и создавать принципиально новые узкопрофильные устройства для применения в научных исследованиях и высокотехнологичных производствах. Так, в частности, найдено решение задачи создания приборов с прямозонной энергетической диаграммой, что не удавалось реализовать на гомогенных структурах.

Прозрачность широкозонного эмиттера для рекомбинационного излучения базы гетерогенной структуры существенно облегчает задачу конструирования излучательных приборов.

Лазеры на основе растворов красителей (ЛК) занимают особое место прежде всего благодаря присущей этим активным средам большой ширине линий излучения, что позволяет создавать на их основе генераторы оптического когерентного излучения, перестраиваемые в большом оптическом диапазоне.

 

Список использованной литературы

 

1. Абдуллаев А.М. - Электронные и квантовые приборы. Часть 1. - Т: ТЭИС,1999.

2. Андреев И.С., Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. - Электронные и квантовые приборы. Часть 1. - Т; ТЭИС,1998.

3. Андрушко Л.М., Фёдоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ. М: Радио связь, 1981.

4. Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н., Абдуллаев А.М., Афанасьева А.М. Квантовые приборы. Конспект лекций - Ташкент: ТУИТ 2004. – 40 с.

5. Елисеев П. Г. Введение в физику инжекционных лазеров.‑ М.: Микроэлектроника, 1993. – 10 c.

6. Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Тарлыков В. А. Основы лазерной техники.‑ М.: Машиностроение, 1990. – 12 c.

7. Рябов С. Г. Приборы квантовой электроники.‑ М.: Радио и связь, 1985. – 8 с.

8. Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев Н.Ф. - Приборы квантовой электроники. - М: Радио и связь, 1985.

9. Фёдоров Н.Д. - Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. Изд.2-е. - М: Атомиздат, 1979.