книги из ГПНТБ / Белостоцкий, Б. Р. Тепловой режим твердотельных оптических квантовых генераторов

Б. Р. Белостоцкий А. С. Рубанов

ТЕПЛОВОЙ

РЕЖИМ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ

ОПТИЧЕСКИХ

КВАНТОВЫХ

ГЕНЕРАТОРОВ

С предисловием академика АН БССР Б. И. Степанова

«ЭНЕРГИЯ»

МОСКВА 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие квантовой электроники стимулирует .инте­ рес к исследованию особенностей теплового воздействия излучения на вещество. Выделение тепла при взаимо­ действии мощного излучения с веществом оказывает существенное влияние на процессы самофокусировки и самодефокусировки, параметрическое преобразование световых волн, возбуждение оптических гармоник, луче­ вую прочность оптических материалов.

Тепловые процессы оказывают заметное влияние на работу оптических квантовых генераторов. Значитель­ ная часть поглощенной энергии, накачки преобразуется в тепло и вызывает нагрев активных элементов твердо­ тельных ОКГ. В свою очередь нагрев активных элемен­ тов сопровождается изменением их оптических и спект­ роскопических свойств и, тем »самым, эффективности работы генератора. Ввиду этого при разработке твердо­ тельных генераторов (в особенности частотных и непре­ рывных) необходимо обеспечение температурного режи­ ма активных элементов, соответствующего тем или иным заданным параметрам генерируемого излучения.

Данная книга посвящена теоретическому анализу особенностей теплового режима активных элементов ОКГ и методам их инженерного расчета. В ней продроб­ но изложены основные закономерности нагрева актив­ ных элементов в зависимости от их размеров и формы поперечного сечения, теплофизических свойств и времен­ ного режима работы генератора. Вместе с тем рассмот­ рены также термонапряженные состояния и термоопти­ ческие и пьезооптические иокажения активных элемен­ тов, возникающие при их нагреве. Основное внимание уделено оптическим квантовым генераторам на рубине, стекле и гранате.

Книга будет полезна как при разработке оптических квантовых генераторов, так и исследовании их генера­ цийниых характеристик.

Герой Социалистического Труда Лауреат Государственных премий СССР,

Академик АН БССР Б. И. СТЕПАНОВ

3

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

Создание источников мощного когерентного излу­ чения — оптических квантовых генераторов (СЖГ) — открыло широкие возможности для использования опти­ ческого излучения при решении целого ряда научных и технических проблем. Перспективы практического ис­ пользования ОКГ определяются высокой мощностью, направленностью и когерентностью генерируемого излу­ чения.

Решение многих прикладных задач связано с исполь­ зованием оптических генераторов на твердом теле, рабо­ тающих в непрерывном, режиме или импульсном с боль­ шой частотой повторения импульсов генерации. При работе ОКГ в таких режимах происходит нагрев опти­ ческих элементов резонатора. Разогрев активных эле­ ментов (рабочих стержней) происходит вследствие эффективого преобразования излучения накачки в тепло. Другие оптические элементы (линзы, призмы, отража­ тели, светозатворы) нагреваются под действием генери­ руемого излучения. Наибольшему нагреву подвержены активные элементы. Нагрев вызывает изменение их оп­ тических и спектроскопических свойств и вследствие этого оказывает влияние на энергетические, спектраль- _ ные, пространственные и поляризационные характери­ стики излучения. Поэтому нагрев активных элементов является основным фактором, определяющим специфику работы частотных и непрерывных ОКГ.

Для уменьшения нагрева-, а также температурной стабилизации активных элементов применяются.различ­ ные системы. Выбор определенной системы охлаждения, оптимизация ее параметров и конструкции непрерыв­ ных и частотных ОКГ возможны лишь при деталь­ ном анализе температурных полей активных элементов в зависимости от различных факторов (конфигурации активных элементов, теплофнзических свойств лазерных материалов, интенсивности теплообмена с охлаждающей

4

Глава первая

ВВЕДЕНИЕ

В .процессе работы твердотельных оптических кван­ товых генераторов происходит напрев активных элемен­ тов. Вследствие нагрева изменяются оптические и спек­ троскопические свойства вещества, определяющие пара­ метры генератора. Как правило, с повышением температуры характеристики генерации ухудшаются.

Влияние нагрева на генерацию твердотельных ОКГ может быть обусловлено различными факторами. Так, например, для рубинового генератора существенную роль играет уменьшение квантового выхода и увеличе­ ние ширины jRi-линии люминесценции, вследствие чего возрастает порог, снижается коэффициент полезного дей­ ствия ОКГ. Максимум длины волны излучения /?і-линии люминесценции также зависит от температуры, возрас­ тая с ее увеличением. Температурный коэффициент изме­ нения в диапазоне 25— 125 °С составляет 0,0065 нм-°С-1.

Активные элементы твердотельных ОКГ характери­ зуются высокой оптической однородностью. Для стеклян­ ных стержней, например, изменение показателя прелом­ ления по сечению не превышает 1 • ІО-7. Однако такая высокая однородность практически не реализуется при работе генератора. Причиной уменьшения однородности является изменение оптических свойств рабочего вещееіва вследствие нагрева.

В общем случае нагрев активных элементов неодно­ роден по объему. В режиме одиночных импульсов неод­ нородность нагрева связана с характером распределения радиации накачки. Распределение накачки по объему зависит от оптических и спектроскопических свойств ве­ щества, геометрии и размеров активного элемента, обра­ ботки его боковой поверхности, взаимного расположения источников накачки и активного элемента, конфигурации осветителя. При соответствующем расположении в осве-

6

тителе цилиндрического активного элемента и источни­ ков возбуждения удается устранить азимутальную неод­ нородность распределения накачки и, следовательно, нагрева. Однако радиальные неоднородности в той или иной мере имеют место всегда. В режиме повторяющих­ ся импульсов распределение температуры ио сечению активного элемента зависит также от теплопроводности вещества и интенсивности теплообмена с охлаждающей средой. При большой частоте следования импульсов или в режиме непрерывной накачки в активных элемен­ тах возникают значительные градиенты температуры в плоскости сечения. Неоднородный нагрев приводит к появлению температурных напряжений.

Изменения оптических свойств (термические искаже­ ния) активных элементов связаны как с температурным изменением показателя преломления, так и с- зависимо­ стью показателя преломления от температурных напря­ жений (деформаций). Термические искажения приводят к появлению эффекта тепловой линзы и наведенного двулучепреломления. В случае частотных и непрерывных ОКГ тепловая линза, как правило, положительная и может приводить к фокусировке излучения в резонаторе или на зеркалах. Вследствие этого уменьшается доброт­ ность резонатора. Термические деформации приводят к искажению волнового фронта излучения, возбуждению угловых типов колебаний высокого порядка, увеличению расходимости, оказывают влияние на поляризационные характеристики генерируемого излучения.

Для лазерных материалов с невысокой механической прочностью (в частности, стекол) возникающие напря­ жения могут приводить к разрушению активных элемен­ тов.

Таким образом, нагрев рабочего вещества оказывает влияние на свойства генерируемого излучения, а для частотных и непрерывных ОКГ является основным фак­ тором, определяющим специфику их работы.

1-1. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ОКГ

Нагрев активных элементов твердотельных ОКГ происходит в результате преобразования части погло­ щенной энергии накачки в тепло. Эффективность преоб­ разования определяется энергетическим спектром актив­

• 7

ных центров в матрице и вероятностями оптических и неоптических переходов между уровнями энергии. Схема энергетических уровней активных центров достаточно сложна. Однако определяющую роль в преобразовании поглощенной энергии накачки играет лишь несколько переходов, которые обычно принимают во внимание при рассмотрении энергетики генерации. Такой подход поз­ воляет получить простые соотношения для баланса энер­ гии в рабочем веществе. В большинстве случаев работу твердотельных генераторов можно описывать по схеме трех или четырех уровней энергии [Л. 1-1, 1-2]. Трехуров­ невая схема широко используется при рассмотрении генерации рубинового ОКТ, четырехуровневая — для описания свойств квантовых тенераторов на гранате, стекле, флюорите, вольфрамате кальция.

которой детализации. Ниже приводится схема расчета тепловыделения в активных элементах рубиновых ОКГ [Л. 1-1]. Аналогичным образом рассматривается преоб­ разование поглощенной радиации накачки в тепло и для других конкретных систем.

Рубин представляет собой кристалл а-корунда (А120 3) , . в котором часть ионов алюминия замещена трехвалент­ ными ионами Сг3+. Активными центрами являются ноны хрома. В оптических квантовых генераторах обычно ис­

0,05% число ионов хрома в одном кубическом сантиметре составляет А/= 1,62 - ІО19.

Спектроскопическая схема уровней Сг3+ в решетке корунда приведена на рис. 1-1. Поглощение радиации накачки сопровождается возбуждением ионов хрома из основного состояния 4А2 на уровни 4Fi и 4F2. Этим пере­ ходам соответствуют в видимой области две широкие полосы поглощения с максимумами вблизи 560 н 410 нм. В ультрафиолетовой области имеются полосы поглоще­ ния, обусловленные переходами из основного состояния на верхний уровень квартетной системы и в зону прово­ димости. Из возбужденных состояний 4Fi и 4F2 большая часть ионов хрома безызлучательно (с .выделением теп­ ла) переходит на уровни 2Е. Вероятность перехода меж­ ду уровнями 4Fi и 4F2 и 2Е составляет (2—5) • ІО7сек~\

8

Уровень 2Е расщеплен на_два дублета Е и 2А. Переходам между состояниями Е и 2А и основным 4А2 соответствуют узкие линии Ri и R2 лірминесценш-ш с длинами волн

излучения '(гори комнатной температуре) 694,3 и 692,9 нм.

Уровни 2А и Е метастабильны — вероятность перехода в основное состояние при комнатной температуре состав-

Рис. 1-1. Схема уровней энергии рубина.

ляет около 300 сект1. Это приводит к возможности дости­ жения при мощном возбуждении большой населенности метастабильного состояния и создания усиления в канале 2Е— УкК2. Генерация обычно осуществляется в Ri-линий.

Большую роль в энергетическом балансе рубина игра­ ют дублетные уровни А*, переход на которые ионов из метастабильного состояния приводит к появлению допол­ нительных полос поглощения. Спектры поглощения ионов хрома в состояниях 4А2 и 2Е приведены на рис. 1-2. Кривые 2 соответствуют случаю, когда все ионы нахо­ дятся в метастабильном состоянии 2Е. Как следует из

9