ОКГ на твёрдом теле

Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) на твердом теле называют такие оптические кван­товые генераторы, в которых в качестве активной усиливающей среды используется кристаллический или аморф­ный диэлектрик. Примерами твердотельных ОКГ могут служить широкоизвестные рубиновые ОКГ или генераторы на стекле. В этом случае инверсия заселенности образуется на энергетических уровнях атомов и ионов вещества, нахо­дящегося в твердом агрегатном состоянии.

При рассмотрении твердотельных ОКГ следует учи­тывать принципиальные особенности таких приборов. Концентрация активных частиц в твердом материале (10¹⁷ — 10²⁰ см~³) на несколько порядков превышает кон­центрацию частиц в газовых средах. Поэтому в твердом теле населенности энергетических уровней значительно больше. Естественно, что и абсолютная величина инвер­сии заселенностей может быть существенно больше, чем в газах. Отсюда понятно, что твердые активные среды должны характеризоваться высоким коэффициентом уси­ления. Это позволяет, во-первых, получать большие мощ­ности генерации и, во-вторых, добиваться генерации при малой длине активного слоя.

Твердое тело как оптическая среда обладает гораздо меньшей оптической однородностью по сравнению с газами. Это приводит к возникновению объемных потерь на рас­сеяние, снижению добротности резонатора при значитель­ной длине активного элемента. Поэтому нет смысла делать активные элементы большой длины. Активные элементы твердотельных ОКГ имеют длину не более 50—60 см для наиболее оптически однородных материалов. Оптическая неоднородность среды приводит к тому, что сверхпороговая инверсия создается не по всему сечению активного элемента, а в определенных узких каналах. Поэтому угол расхождения пучка генерируемого излучения, оценивае­мый даже из дифракционных соображений, оказывается значительным. В твердотельных ОКГ угол расхождения измеряется десятками минут.

В твердом теле взаимодействие между частицами суще­ственно искажает структуру энергетических уровней. Как правило, энергетические уровни частиц твердого тела имеют большую ширину. Линии спонтанного излучения (флюоресценции) и генерации расплываются в широкие спектральные полосы. Для спонтанного излучения харак­терна ширина полосы в несколько ангстрем (кристаллы) или в несколько десятков ангстрем (стёкла). Ширина линии генерации составляет в лучшем случае доли ангстрема.

Способ создания инверсии в твердотельных ОКГ прин­ципиально отличается от накачки в газовых и полупровод­никовых ОКГ, он не может быть связан с прохождением электрического тока через твердый диэлектрик. Для твердо­тельных ОКГ характерна так называемая оптическая накачка. При оптической накачке заселение возбужденных состояний достигается путем интенсивного облучения активного материала излучением внешнего источника. Спе­циально подобранный спектральный состав этого излучения или определенное соотношение между вероятностями соот­ветствующих переходов приводит к преимущественному заселению верхнего рабочего состояния и возникновению инверсии.