CC BY
0ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)
_МАТЕР1АЛИ КОНФЕРЕНЦП «В1дкрит1 унiверситетськi фпнчт читання»_
УДК 621.378.325
к.т.н. Мурга В. В., Мурга Е. В. (ДонГТУ, г. Алчевск, Украина)
УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ КОЛЛЕКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рассматриваются условия формирования коллективного излучения в активной среде твердотельного лазера. Показано, что способ создания неравновесного состояния активной среды может стимулировать коллективное взаимодействие активных центров, которое влияет на свойства выходного излучения. Приведены результаты экспериментальных исследований, которые подтверждают возможность формирования коллективного излучения в протяженных средах.
Ключевые слова: твердотельный лазер, накачка, коллективное излучение, модуляция добротности.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.
Лазерное излучение представляет собой процесс стимулированного излучения с линейной зависимостью излучения от числа возбужденных частиц над порогом. Детальное рассмотрение процессов возбуждения активной среды позволяет сделать вывод, что усиление люминесценции происходит при превышении порога. И, если при малом усилении активной среды эти потери хоть и небольшие, но существуют, то при большом усилении люминесценция претерпевает усиление в 103 и даже большее число раз [1].
Таким образом, при большом превышении порога доминирующим фактором, который определяет потери, принималась усиленная люминесценция. Тем не менее, усиленная люминесценция при определенных условиях приобретает характер коллективного процесса, который можно использовать для увеличения интенсивности генерируемого излучения лазера.
На основании теории Дирака Дике показал [2], что для системы, состоящей из двух атомов, расстояние между которыми меньше длины волны излучения, вероятность спонтанного излучения в два раза больше чем для одного атома, это означает, что время спонтанного распада умень-
шится в два раза по сравнению с обычным случаем.
Это как раз и есть кооперативный эффект в спонтанном излучении, который получил название сверхизлучения (SR). Он усиливается при увеличении числа атомов в системе. Для подобной системы из N возбужденных атомов происходит сокращение спонтанного распада в N раз, то есть время сверхизлучения (SR имеет порядок величины (Ы)-1) . Для наблюдения сверхизлучения необязательно, чтобы все атомы находились в возбужденном состоянии, но число атомов в возбужденном состоянии должно превышать число атомов в основном состоянии. То есть система должна быть инвертированной.
Постановка задачи.
Задачей данной работы является исследование процесса формирования коллективного излучения и анализ факторов, которые определяют возможность установления корреляции диполей излучающих активных центров.
Изложение материала и его результаты.
Оценка условий развития генерации показала, что порог для усиленной люминесценции, строго говоря, не существует. Од-
© Мурга В. В., 2014 ©Мурга Е. В., 2014
ISSN 2077-1738. Збярник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)
МАТЕР1АЛИ КОНФЕРЕНЦ11 «В1дкрит1 унiверситетськi фпичт читання»
нако, в инвертированном среде усиленная люминесценция становится преобладающим механизмом релаксации для активной среды. Мощность усиленной люминесценции быстро увеличивается с инверсией на-селенностей приблизительно как
_ р [ехр(орN2l)] (aoN2/) '
P = P
(1)
3 s -1
PV = —-—i E V.
4ns + 2 внеш
(2)
При этом диэлектрическая проницаемость среды зависит от соотношения собственных частот колебаний отдельных диполей и частоты внешнего поля ЕенеШ:
;(а) = 1 -
с
2 2 со - со0
ас = -
8nd 2@0AN Л
(3)
(4)
(
а
рез
с0
1 +
а
2 Л
6с
(5)
o
W = d (as) + H o
Eo2 9a0
16n da 16n 8n с
(6)
где С0 — сечение поглощения активного центра; N2 — разность населенностей лазерных уровней, I — длина активной среды.
Под действием внешнего поля накачки активная среда приобретает поляризацию объема
Таким образом основная часть энергии сосредоточена в колебаниях поляризации образца, а не в электрическом поле
I I 2
|W| » E; /(8n) . Длительность импульса 1
т =-, где у0 — инкремент, соответст-
2Уо
вующий инверсии AN0 в начальный момент времени t = 0. Время задержки t3 = т ln(4Qmax / Q0), где Q0 — начальная, а
- ЛС (VAN)2
Q
4T
— максимальная мощ-
ность излучения. Если мощность Q0 равна мощности некогерентного спонтанного г\а0¥Шо
излучения
T
то задержки соста-
где сос — кооперативная частота; ю0 — частота перхода; AN — разность населенностей уровней; d — дипольный момент отдельного атома.
При приближении внешней частоты поля к резонансной частоте Юд
становятся возможными собственные колебания поляризации в шарике, которые могут существовать даже при отсутствии внешнего электрического поля. В этом случае плотность электромагнитной энергии в образце:
вит = тЫУШо).
Поэтому основной интерес представляют, конечно, образцы больших размеров L >> X, что представляет практический интерес. В образцах больших размеров могут распространяться электромагнитные волны, которые в инвертированной двухуровневой среде обладают специфическими свойствами. Если плотность инвертированных атомов относительно невелика, то эти свойства отчетливо не проявляются и в таком образце реализуется режим, характерный для импульсных лазеров и мазеров. Однако при высокой плотности ДN в условиях, когда реализуется неравенство уТ2>>1, наряду с обычными электромагнитными волнами в безграничной среде распространяются так называемые волны поляризации, обладающие энергией, которая сосредоточена в колебаниях поляризации (а не электрического поле, энергия которого относительно мала. Как показано в [3], в инвертированных образцах с отражающими стенками эти волны образуют поляритонные моды, локализованные внутри образца. И наконец, если стенки образца имеют коэффициент отражения
_^М20 77-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)_
МАТЕР1АЛИ КОНФЕРЕНЦ11 «Вщкрит унiверситетськi фiзичнi читання»
R <1, то поляритонные моды выходят за его границы, но уже в виде электромагнитной волны.
Одним из вопросов, который остается в состоянии изучения, является возбуждение поляризационных колебаний и сохранение их достаточно длительное время. В работе [4] показано, что частота поляризационных колебаний существенно отличается от частоты рабочего лазерного перехода. Это позволяет сделать предположение о длительном поддержании поляризационных колебаний и сохранении коррелированного состояния излучающих диполей за счет спин-решеточного взаимодействия. Данное предположение позволило сформулировать требования к возбуждающему импульсу накачки, который позволил бы обеспечить поляризационные колебания с высокой добротностью.
В эксперименте использовалась им-пульсно-периодический режим возбуждения, форма которого представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 — Осциллограмма токового импульса накачки. Цена деления по горизонтали - 20 мкс.
Исследование релаксационных свойств возбужденной системы проводилось путем включения добротности с различной задержкой после достижения максимума инверсии активной среды. Выходная энергия генерации отображает величину превышения инверсии над порогом. На рисунке 2 показана зависимость энергии генерации от задержки включения добротности резонатора. Скорость падения энергии генерации позволяет оценить релаксационные характеристики возбужденной активной среды.
Как видно из рисунка 2 наиболее рациональным режимом с точки зрения эффективности преобразования энергии является включение добротности резонатора в максимуме инверсии [5, 6].
РЛ-8
^___^ „2,1 кВ
\
\
1,9 кВ
\
ч - 1,8 кВ
ч 1,6 кВ
--^
460 500 540 580 620 660 700 740 и
Рисунок 2 — Экспериментальные зависимости величины выходной энергии моноимпульса от времени задержки включения затвора для кристалла рубина РЛ 8.
Для снижения потерь на усиленную люминесценцию необходимо сократить время, в течение которого активная среда пребывала бы в состоянии с максимальным коэффициентом усиления. В данном случае для снижения потерь на усиленную люминесценцию и использовался импульс накачки с протяженным подготовительным воздействием, которое обеспечивает возбуждение до порога и далее интенсивное периодическое воздействие, как показано на рисунке 1.
На фоне представленных данных интересным эффектом сопровождается возбуждение активной среды сложным импульсом накачки, когда на подготовительный протяженный импульс накладывается серия коротких интенсивных пичков. В данном случае наблюдается увеличение интенсивности генерируемого излучения при определенной частоте повторения интенсивных пичков (рис. 3).
Отмечено возрастание выходной интенсивности при совпадении периода следования интенсивных пичков и периода поляризационных колебаний возбужденных
_ISSN 20 77-1738. Зб1рник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)_
МАТЕР1АЛИ КОНФЕРЕНЦП «Вщкрит1 ушверситетськ ф1зичш читання»
диполей. При этом инверсия активной среды заметно снижается.
РЛ 5,2 - 75/85 Ен = 680 Дж
V У ^ • -Л
[ ч. _ Д V%ч / А
\ /ч
30 60 т, мкс'
Рисунок 3 — Зависимость выходной энергии моноимпульса от времени задержки включения добротности при различных режимах возбуждения (нижняя гладкая кривая - «гладкий» импульс накачки, периодическое изменение интенсивности моноимпульса соответствует сложной накачке)
Полученный результат подтверждает то, что интенсивное периодическое воздействие на инвертированную систему может приводить к изменению характеристик фазовой релаксации активных цен-
тров в присутствии резонансного поля возбуждения.
Выводы и направление дальнейших исследований.
Предложенный способ возбуждения активной среды обеспечивает увеличение интенсивности генерируемого излучения при инверсии ниже, чем с традиционной «гладкой» накачкой. Это подтверждает наличие коллективного излучения в системе.
Этот эффект очень важен для электроники больших мощностей, где в ряде прикладных задач основные усилия направлены на получение мощных и коротких импульсов (например, для радиолокации). Эти режимы исследовались экспериментально и теоретически, но, как правило, в условиях, аналогичных мазерным режимам в квантовой электронике. Однако режим сверхизлучения позволяет в принципе получить более короткие и мощные импульсы. Это и объясняет привлекательность идеи поиска коллективного излучения в классической электронике.
Библиографический список
1. Звелто О. Принципы лазеров: Пер. с англ. — 3-е перераб. и доп. изд. — Москва: Мир, 1990.
— 560 с.
2. Dicke R. H. // Phys. Rev. 1954. — V. 93. — P. 99.
3. Железняков В. В., Кочаровский В. В., Кочаровский В. В. // ЖЭТФ. — 1984. — Т. 87. — С. 1565.
4. Мурга В. В. Формирование макродиполя в активной среде твердотельных лазеров / В. В. Мурга., Е. В. Мурга // Весник Сх1дноукратського Национального университету ¡м. В.Даля. — Лу-ганськ. — 2011. — № 8 (162) Ч. 2. — С. 146-149.
5. Yu. A. Anan'ev. Amplification of light by four-level quantum systems // SOVIET PHYSICS JETP, 1965. — VOLUME 21, NUMBER 1 JULY. — P.4-8.
6. Денищик Ю. С. Учет взаимного влияния инверсной заселенности и плотности люминесценции при оценке энергетической эффективности накачки трехуровневой среды в нестационарном режиме /Ю. С. Денищик //Журнал прикладной спектроскопии. — 1988. — Т. 51. — № 5.
- С. 777-781.
Рекомендована к печати д.тн., проф. ДонГТУМочалиным Е. В., д.тнпроф. ВНУ им. Даля Корсуновым К. А.
Статья поступила в редакцию 23.06.14.
к.т.н. Мурга В. В., Мурга О. В. (ДонДТУ, м. Алчевськ, Украгна) УМОВИ ФОРМУВАННЯ КОЛЕКТИВНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ
_ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 2 (43)_
_МАТЕР1АЛИ КОНФЕРЕНЦП «В1дкрит1 ушверситетськ фiзичнi читання»_
Розглядаються умоеи формуеання колектиеного випромтювання в активному середовищ1 твердотыьного лазера. Показано, що споаб створення нер1вноважногостану активного сере-довища може стимулювати колективна взаемод1я активних центр1в, що впливае на властивос-т1 вих1дного випром1нювання. Наведено результати експериментальних досл1джень, якг тдтве-рджують можлив1сть формування колективного випром1нювання в протяжних середовищах.
Ключовi слова: твердотыьний лазер, накачування, колективне випром1нювання, модуляция добротност1.
Murga V. V. Candidate of Engineering Sciences, Murga E. V. (DonSTU, Alchevsk, Ukraine) CONDITIONS OF COLLECTIVE RADIATED EMISSION FORMATION
Conditions of collective radiated emission formation in active environment of solid laser are considered. The way of nonequilibrium of active environment can stimulate collective interaction of active centres that influence on the output emission properties shown in the article. The results of the experimental investigation that confirm the possibility of collective radiated emission formation in extended environment are given.
Key words: solid lasers, complex impulse, collective radiated emission, Q modulation.
