 |
Коэффициент усиления активной среды
|
|
|
|
Ненасыщенный коэффициент усиления газовой среды сложным образом зависит от величины тока I, давления p и процентного содержания неона a. Эти зависимости имеют оптимальный характер. В то же время коэффициент усиления примерно обратно пропорционален диаметру разрядной трубки d, что обусловлено снижением скорости расселения состояния 1s (возрастает время диффузии атомов неона к стенкам трубки).
Для расчета ненасыщенного коэффициента усиления в центре спектральной линии может быть использовано следующее выражение:
. (3.1)
Размерности величин в этой формуле: k [1/cм]; I [мА]; p [мм рт. ст.]; d [см].
При первоначальном выборе значений I, p, d, a можно ориентироваться на следующие экспериментальные данные, определяющие условие достижения максимальной мощности излучения:
- произведение p×d = 3…4 мм рт. ст.ּмм;
- соотношение компонентов смеси He-Ne: (3…4):1 при d = 8 мм, (4…5):1 при d = 5 мм, (5…7):1 при d = 3 мм, (7…8):1 при d = 1,5 мм;
- оптимальный ток I(мА) = (7…18) d (мм);
- коэффициент усиления 
» 4×10-4 / d.
Зависимость коэффициента усиления активной среды гелий-неонового лазера от интенсивности излучения определяется действием двух механизмов уширения спектральной линии: доплеровского (неоднородного), который вносит основной вклад в результирующую ширину линии, и столкновительного (однородного), пропорционально возрастающего с величиной давления.
Экспериментально полученные зависимости столкновительного уширения Dnодн (ГГц) и параметра насыщения Js (Вт/см2) от давления p(мм рт. ст.) представлены в виде соотношений:
Dnодн = (0,14…0,17) p; (3.2)
Js = 1,25p2 + 4p + 2. (3.3)
При расчете величины доплеровского уширения по формуле (1.10, a) температуру газовой среды для условий разряда в He-Ne лазерах можно принять 400 К.
|
|
|
Основные виды потерь
В связи с малыми значениями коэффициента усиления актив-
ной среды для выполнения условия возникновения генерации требует-
ся обеспечить соответственно и малый уровень потерь. Например, при
=10 - 3 1/см и длине l = 10 см общий уровень потерь при полном обходе не должен превышать 2 %.
Газовая среда отличается высокой однородностью и прозрачностью, поэтому распределенными потерями на рассеяние и поглощение в ней можно пренебречь. Использование устойчивых резонаторов обеспечивает и малый уровень дифракционных потерь. Они становятся заметными (превышают 0,1%) при использовании разрядных трубок малого диаметра (1…2 мм). Необходимость в целенаправленном увеличении этих потерь возникает также при реализации одномодового режима генерации (TEM00), поскольку подавление поперечных мод более высокого порядка основано на различии в величинах дифракционных потерь (раздел 1.4). В общем же случае основными видами потерь являются потери в зеркалах резонатора и прочих внутрирезонаторных оптических элементах.
Из приведенной оценки допустимого уровня потерь следует, что коэффициент отражения поверхности зеркал должен быть не менее 98 %. Коэффициенты отражения, превышающие 98…99 %, достигаются при использовании многослойных интерференционных зеркал. Потери на поглощение и рассеяние в них не превышают 0,2…0,3%. Кроме того, селективность отражения интерференционных зеркал обеспечивает возможность подавления генерации на конкурирующем переходе 3,39 мкм.
Для создания зеркал со столь высоким коэффициентом отражения количество слоев существенно больше 3. Поэтому в качестве расчетной может использоваться формула (1.30, а). Для слоев с высокими значениями показателя преломления (nв) в качестве материала покрытия используются TiO2 {2,33}, ThO2 {2}, ZnS {2,3}, HfO2 {1,98}, ZrO2 {1,97} (в скобках указаны значения показателя преломления n). Для слоев с низкими значениями показателя преломления (nн) – SiO2 {1,45}, MgF2 {1,38}, Na3AlF6 {1,35}.
|
|
|
Для изготовления подложек зеркал, а также других внутрирезонаторных элементов, например выходных окон, применяются высокопрозрачные оптические стекла КВ {1,5} либо КУ {1,46}.
В качестве примера, в табл. 3.1 приведены оптические характеристики некоторых зеркал, применяемых в He-Ne лазерах.
В лазерах с внешними зеркалами выходные окна, герметизирующие объем разрядной трубки, для уменьшения вносимых ими потерь устанавливаются под углом Брюстера
jб = arc tg(n),
где n – показатель преломления материала окна. Волна, поляризованная в плоскости падения, проходит через такое окно почти без отражения (уровень потерь не превышает 0,1…0,2 %). Лазерное излучение в этом случае линейно поляризовано.
Таблица 3.1
Оптические характеристики интерференционных зеркал
(материал подложки – кварцевое стекло КВ)
| Материал покрытия | Число слоев, N | Коэффициент пропускания, T, % | Общие потери, % | Термостойкость, 0C |
| HfO2 – SiO2, | 1,6 – 1,9 0,9 – 1,4 0,1 – 0,2 0,1 0,1 | - - 0,28 0,2 0,2 | 300-350 | |
| ZrO2 – SiO2 | 1.35 0,95 <0,1 | <0,2 <0,2 <0,2 | 250-300 | |
| TiO2 – SiO2 | 2,4 0,9 0,4 0,1 0,03 0,01 |
|
|
|
