книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды

Однако при такой накачке возникает поглощение из возбужденного состояния, что приводит к покаскадному заселению верхних уровней и потере энергии накачки.

При накачке излучением лазерного диода с длиной волны 800 нм ионы Тm3+ возбуждаются из основного состояния 3Н6 в состояние 3Н4.

Из возбужденного состояния 3Н4 путем комбинации излучательных и безызлучательных переходов ионы переходят на верхний лазерный уровень 3F4.

Заселение уровня частично происходит также за счет кросс-релаксации (с одновременным переходом одного иона вниз с уровня 3Н4 на верхний лазерный уровень 3F4 и другого – вверх с основного уровня 3Н6 также на верхний лазерный уровень 3F4).

Это позволяет получить квантовую эффективность больше единицы (теоретически – до 2).

Более эффективной является накачка в коротковолновый «хвост» средней полосы поглощения (на длине волны ~ 920 нм).

Довольно большая ширина полосы поглощения в интервале 900–980 нм обеспечивает стабильность генерации при изменении спектра излучения накачки, связанного с нагревом диодной матрицы.

Кроме того, дополнительное легирование активной среды ионами Yb3+ увеличивает поглощение, таккакионыиттербияэффективнопоглощаютизлучениеAsGa-диода.

Возбуждение иона Yb3+ с уровня 2F5/2 передается на близко расположенный уровень 3H5 иона Tm3+, с которого безизлучательным переходом возбуждение передаетсянаверхнийлазерныйуровень3F4.

В этом случае поглощается до 90 % излучения накачки, а квантовая эффективность может превысить 1,8.

101

При такой схеме накачки можно получить высокую выходную мощность излучения:

	~ 300 Вт в одномодовом режиме с близким				~ 885 Вт в многомодовом режиме.
	к дифракционному качеством пучка;

Довольно перспективной является накачка в область поглощения 1,55–1,6 мкм.

Спектры поглощения и излучения в интервале 1,5–2,0 мкм характеризуются значительной шириной и довольно хорошими сечениями поглощения и излучения вблизи максимума.

Довольно большая ширина спектра излучения обеспечивает широкий интервал перестройки лазера.

Близкие значения энергии излучаемых квантов и квантов излучения накачки определяют малые энергетические потери и, как следствие, меньший нагрев активной среды.

8.5. Волоконный лазер на фотонном кристалле

Оптическое волокно, применяемое для изготовления лазера на фотонном кристалле, значительно отличается от традиционно применяемых оптических волокон.

В фотонно-кристаллическом волокне (PCF – photonic crystal fiber) при помощи воздушных каналов (например, цилиндрической формы), окружающих сердцевину волокна, формируется светопередающая структура.

Воздушные каналы образуют двумерный фотонный кристалл, в котором волноводные моды формируются вследствие появления запрещенных зон в спектре пропускания микроструктуры.

102

Обычно в фотонно-кристаллическом оптическом волокне формируется микроструктура с гексагонально упакованными воздушными каналами.

Такая микроструктура волокна поддерживает только основную моду независимо от длины волны или диаметра сердцевины.

Фотонно-кристаллические волокна в сравнении с обычными волокнами отличаются:

Возможностью создавать большой диаметр сердцевины (до 40 мкм), который может поддерживать одномодовый режим.

Отсутствием нелинейных эффектов.

Высокой числовой апертурой (0,6, а в теоретическом пределе – 0,9).

Высокой анизотропией структуры волокна, позволяющей пропускать излучение с высокой степенью поляризации.

Такие особенности фотонно-кристаллических волокон позволяют реализовывать высокие мощности накачки и генерации без заметного нагрева активной среды, что особенно важно для создания высокомощных одномодовых лазеров.

Для накачки сердцевины, содержащей ионы редкоземельных элементов, в срезе фотонно-кристаллического волокна формируется структура, напоминающая оптическое волокно с двойным покрытием.

Вокруг внутренней периодической структуры, образующей фотонный кристалл с активной сердцевиной, формируется еще один слой воздушных каналов вытянутых в срезе волокна в радиальном направлении.

Такая структура обладает не только большой численной апертурой, но и имеет низкие потери излучения накачки благодаря отсутствию спиральных и винтовых мод, которые не проходят через активную сердцевину.

Экспериментально подтверждено, что КПД волоконного лазера на активированном фотонно-кристаллическом оптическом волокне в режиме постоянной генерации может достигать 75–80 % при мощности генерации 550 Вт/м.

103

Лекция 9. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ – устройства, предназначенные для обнаружения или измерения оптического излучения и основанные на преобразовании энергии излучения в другие виды энергии (тепловую, механическую, электрическую и т.д.), более удобные для непосредственного измерения.

Тепловые

По принципу действия приемники оптического

Фотонные

излучения делятся на следующие группы:

Пондеромоторные

Фотохимические

Эти группы приемников оптического излучения отличаются способами преобразования энергии и чувствительностью в различных оптических диапазонах.

9.1. Тепловые приемники оптического излучения

Поглощенная энергия оптического излучения приводит к нагреванию чувствительного элемента теплового приемника, а по повышению температуры чувствительного элемента можно определить величину этой энергии.

Современные тепловые приемники обладают высокой температурной чувствительностью (10–7–10–6 К), что позволяет регистрировать излучение мощностью всего ~ 10–11 Вт.

Для измерения таких изменений температуры применяют различные косвенныеметоды.

По принципу преобразования энергии излучения в электрическую энергию тепловые приемники разделяются на несколько типов.

Термоэлементы (термопары)

Пироэлектрические приемники

Болометры

Оптико-акустические приемники

104

9.1.1. Термоэлементы

Термоэлементами называются приемники оптического излучения, основанные на термоэлектрическом эффекте Зеебека (возникновение ЭДС в контуре из различных материалов, спаи которых имеют неодинаковую температуру).

Если на один из спаев контура направить измеряемое излучение, то это приводит к повышению температуры этого спая по сравнению с температурой другого (холодного) спая.

Градиент температуры вдоль проводника приводит к диффузии электронов с нагретого конца в направлении, обратном температурному градиенту.

Возникающая при этом разность потенциалов (термоЭДС) служит мерой измеряемого потока излучения.

В полупроводниках возникновение термоЭДС проявляется сильнее, так как на диффузию электронов накладывается диффузия дырок в обратном направлении.

Для изготовления металлических термоэлементов используют Cu, Ni, Bi, Pt, Co, Al, Ta, Ag, Fe,

сплавы – константан, алюмель, хромель и другие.

Полупроводниковые термоэлементы изготавливают из

Sb, Si, Te, Se.

Чувствительная ячейка термоэлемента

1– камфорная чернь;

2– медная фольга (0,02 мм);

3– теплоотводящие изоляционные слои;

4– анизотропный элемент из монокристалла CdSb;

5– теплоотводящая масса.

металлических – 3–5 В/Вт; Интегральная вольтовая чувствительность

термоэлементов:

полупроводниковых – 30–50 В/Вт.

105

металлических – 0,1–2 с; Постоянная времени термоэлементов

полупроводниковых – 0,04–0,1 с.

Малое собственное сопротивление термоэлементов определяет довольно сложную конструкцию приемников излучения.

Дифференциальная чувствительность термоэлементов очень мала.

Максимальной дифференциальной чувствительностью обладают термопары CuO – Cu2O (1900 мкВ/К), Bi – Sb (100 мкВ/К), хромель-

копель (60 мкВ/К).

Регистрация таких слабых сигналов требует довольно сложного усилительного тракта.

Тепловые приемники оптического излучения обычно неселективны и пригодны для измерения электромагнитной энергии в широкой области спектра (0,2–50 мкм).

Основным недостатком термоэлементов является большая инерционность.

9.1.2. Болометры

Принцип работы болометров основан на регистрации изменения электрического сопротивления полупроводника или металла при воздействии на него потока электромагнитной энергии.

Чувствительный элемент болометра представляет собой металлическую или полупроводниковую пленку, реагирующую на изменение температуры в результате поглощения регистрируемого излучения.

Болометр, как правило, содержит два термочувствительных элемента.

Активный – регистрирует направляемый на него поток излучения.

Компенсационный – учитывает изменение температуры внешней среды.

106

Для чувствительных элементов металических болометров применяется зачерненная фольга из платины, никеля, золота, висмута.

Из-за малой толщины фольга довольно быстро нагревается под действием излучения, и ее сопротивление повышается.

Вместо фольги можно использовать напыленную на твердую подложку в вакууме тонкую пленку металла.

Наиболее чувствительными являются болометры на основе напыленных висмутовых пленок, которые имеют чувствительность 13–15 В/Вт и постоянную времени 0,02 с.

Болометры на основе металлических пленок работают обычно без охлаждения.

Для чувствительных элементов полупроводниковых болометров – терморезисторов – используют оксиды, галогениды, халькогениды некоторых металлов.

Полупроводниковые терморезисторы бывают двух типов:

Термисторы, имеющие отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Позисторы, имеющие положительный температурный коэффициент сопротивления.

Полупроводниковые термочувствительные элементы в отличие от металлических обладают значительно большим сопротивлением, что облегчает их согласование с усилительным каскадом болометра.

Наиболее чувствительными являются термочувствительные элементы, изготовленные из германия, легированного галлием, и охлаждаемые до температуры

2–4 К.

Такие термоэлементы при размере приемной площадки 10 мм2 обладают чувствительностью 4,5 кВ/Вт, с постоянной времени 0,4 мс.

Для повышения чувствительности терморезистивных элементов их помещают в вакуумированный бокс.

107

Повысить чувствительность болометра можно также фокусировкой регистрируемого излучения с помощью короткофокусной линзы.

	Высокой чувствительностью обладают				Падающее на проволоку излучение
	сверхпроводящие термочувствительные				частично восстанавливает ее сопротив-
	элементы в виде тонкой проволоки,				ление, что приводит к увеличению
	находящейся при температуре перехода				падения напряжения при пропускании
	в сверхпроводящее состояние.				по проволоке измерительного тока.

Основным недостатком таких термоэлементов является необходимость высокоточного поддержания температуры.

Принципиальная схема измерительного блока болометра

1– входное отверстие;

2– зеркальная полусфера;

3– термочувствительный элемент.

Термочувствительный элемент болометра

1 – сплав висмута со свинцом;

2 – электроды;

3 – черненая диафрагма;

4 – сурьмяная или золотая чернь;

5– нитролаковая подложка;

6– черненая заслонка.

Рабочая область спектра болометра такой конструкции – от 0,3 до 20 мкм.

108

9.1.3. Оптико-акустические приемники излучения

Принцип работы оптико-акустического приемника излучения основывается на регистрации изменения объема газа, нагревающегося падающим потоком излучения.

Газ помещается в специальной камере, одна из стенок которой сделана в виде тонкой и гибкой пленки – мембраны.

При поглощении излучения происходит изменение объема газа, в результате чего мембрана деформируется, и ее деформация может быть измерена каким-либо способом.

Используются два типа оптико-акустических приемников излучения – селективные и неселективные.

В селективных приемниках излучение поглощается непосредственно газом, а потому спектральная чувствительность приемника определяется спектром поглощения наполняющего газа.

Газ поглощает излучение только таких частот, которые соответствуют частотам колебательных и вращательных переходов молекул.

Для измерений используется модулированный поток излучения с частотой модуляции до 50 Гц.

Принципиальная схема селективного приемника излучения

1	– измеряемый поток излучения;	6	– мембрана;
2	– модулирующий диск;	7	– микрофон;
3	– флюоритовое окно;	8	– усилитель;
4	– камера;	9	– измерительный прибор.
5	– газ;

109

Селективные приемники используют для регистрации излучения в дальней ИК-области спектра, так как в ближней и средней ИК-областях спектра более чувствительными являются фотонные приемники.

Для научных исследований в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне спектра (5–1000 мкм) широко используются неселективные приемники излучения.

Принципиальная схема неселективного приемника излучения

1	– входное окно из CaF2, CsI или KBr;	6	– конденсор;
2	– пленка с поглощающим	7	– осветительная лампа;
алюминиевым слоем;		8	– фотоэлектронный умножитель;
3	– компенсационный канал;	9	– непрозрачные штрихи нижней
4	– мембрана с отражающим слоем	части растра;
сурьмы;		10, 11 – рабочие камеры.
5	– прозрачные штрихи верхней части
растра;

Неселективный оптико-акустический приемник состоит из двух рабочих камер 10 и 11, наполненных газом.

Тонкая органическая пленка 2 с поглощающим слоем нагревается излучением, попадающим в камеру 11 через окно 1 и нагревает газ.

Нагретый газ камеры 11, расширяясь, деформирует пленку 2 и вызывает изменение давления газа в камере 10, передающегося на органическую мембрану 4 с отражающим слоем.

Деформация мембраны 4, вызванная изменением давления газа в камере 10 и пропорциональная измеряемому потоку Ф, преобразуется фотоэлектрическим усилителем в электрический сигнал.

110