ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ


Исторически твердотельные лазеры стали первыми квантовыми генераторами когерентного оптического излучения.Их широкое распространение обусловлено тем, что твердотельные лазеры позволяют получать мощное когерентное излучение от УФ до ИК-области спектра, работать как в импульсном, так и непрерывном режимах.

В настоящее время генерация получена на большом числе активных сред (несколько сот), но практическое значение имеют сравнительно небольшое число т/т лазеров: на рубине (l = 0,69 мкм), неодимовые - на стекле и гранате (l ≈1,06 мкм), а также лазеры на кристалле ГСГГ, александрите и эрбиевые.

Основу активной среды (АС) твердотельного лазера составляет матрица (диэлектрический кристалл либо стекло), в которую введены ионы примесей - активатора. Именно энергетические уровни активатора используются для создания инверсной населенности и получения эффекта квантового усиления. Относительная концентрация активных центров составляет в т/т рабочих веществах доли или единицы процента от полного числа атомов в среде. Однако абсолютная концентрация активных центров составляет величину 1017-1020 см-3, что соответствует большим коэффициентам квантового усиления. Матрица непосредственно не участвует в физических процессах, приводящих к генерации, но ее вещество определяет технические свойства АС. Физические свойства AC определяются в основном активатором.

Перечислим некоторые требования, которым должны удовлетворять твердые вещества, используемые в качестве АС лазеров.

1. Вещество должно обладать метастабильными уровнями энергии, на которых возможно накопить значительное количество активных атомов. При этом время жизни атомов в метастабильном состоянии должно определяться в основном излучательными переходами, т.е. вероятность безызлучательных переходов, при которых вся энергия возбужденных атомов или ее часть передается кристаллической решетке, должна быть относительной малой.

2. Материал должен обладать широкими полосами поглощения с высоким квантовым выходом люминесценции. Чем шире полоса поглощения материала, тем большая часть излучения источника накачки (например, газоразрядной лампы) используется для возбуждения активных атомов.

3. Активное вещество должно иметь малые потери на частоте генерации, не связанные с резонансным переходом частиц между рабочими уровнями, а также высокое оптическое качество.

АЭ изготавливается, как правило, в виде цилиндра диаметром 0.3...2 см и длиной 3...20 см. Для уменьшения потерь на отражение торцевые поверхности АЭ просветляются на рабочей длине волны лазера.

 

Рубиновый лазер

Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3, в котором часть ионов Al+3 замещена ионами хрома Сr+3 (условная химическая формула рубина α - Al2O3:Cr+3). В такой системе активными центрами являются ионы хрома Сr3+, а матрицей - кристалл a-корунда (a-Al2O3). Чистый корунд Al2O3 является серо-прозрачным материалом. Красный рубин, в котором весовая концентрация ионов Сr+3 составляет ~ 0,5%, как драгоценный камень известен давно. Кристаллы рубина, используемые в лазерах в качестве AC, обычно получают путем выращивания из расплава смеси А12О3 и небольшой части Сr2О3. При весовом содержании хрома всего 0,05%, что соответствует 1,6∙1019 ионов/см3, рубин приобретает бледно-розовую окраску.

Кристалл рубина анизотропный, одноосный, величина двулучепреломления Dn=ne-n0 = 0,008.

На рис.2.1 представлена схема энергетических уровней Cr+3 в рубине. Главные детали оптического спектра рубина связаны c переходами между энергетическими уровнями Cr+3 как активатора. Эти уровни существенно отличаются от уровней энергии в свободных ионах Cr+3. Происхождение их определяется сильным взаимодействием электронной оболочки 3d группы железа (к которой принадлежит хром) с кристаллическим полем решетки. Представленнаясхема энергетических уровней соответствует трехуровневой схеме накачки.

  Рис.2.1. Схема энергетических уровней Cr+3 в рубине.  

Рабочим переходом в рубине является переход между уровнями 2Е и 4А2. Состояние 2Е является метастабильным и состоит из двух близких подуровней и , расстояние между которыми составляет 29 см-1. Переходы между этими подуровнями и основным уровнем 4А2 соответствует линиям излучения R2 и R1 соответственно с длиной волны 6929 Å и 6943 Å при температуре 3000К.

Излучение накачки поглощается рубином в двух широких полосах, соответствующих переходам активных атомов из основного состояния 4А2 в состояние 4F1 и 4F2 (“синяя” и “зеленая” полосы поглощения).

Часть возбужденных атомов из состояний 4F1 и 4F2 снова возвращается в основное состояние 4А2, а большая часть их переходит в метастабильное состояние 2Е. Измерения показали, что для перехода 4F2®4A2 вероятность спонтанных переходов A31≈3·105 c-1, в то время как вероятность безызлучательных переходов w32 на уровень 2Е составляет w32≈2·107 с-1, что соответствует времени безызлучательного перехода t32≈5·10-8 с-1.

Верхний уровень рабочего перехода - метастабильный и время жизни ионов Cr+3 на нем определяется в основном радиационными переходами и составляет t23 мс.

Оценим пороговую населенность метастабильного уровня , при которой начинается генерация линии R1 в рубине на =6943 Å . Пусть одно из зеркал резонатора полупрозрачно и имеет коэффициент отражения r, а для второго зеркала коэффициент отражения равен единице. Потери на излучение, пересчитанные на единицу длины, составляют (1-r)/2l, где l - длина активного элемента. Если другие потери несущественны, то, приравнивая эту величину коэффициенту усиления активной среды G=s21(N2-(g2/g1)N1), где s21 - сечение вынужденного перехода, N1, и N2 - населенности соответствующих уровней, а g1 и g2 -кратности вырождения уровней, получим выражение для пороговой населенности:

Dпор=N2-(g2/g1)N1=(1-r)/2s21l (2.1)

Полагая r = 0,5; l=10 см, s21= 2,5∙10-20 см2, находим Dпор=1018 см-3.

Рубиновые образцы, используемые в лазерах, изготавливаются обычно в виде стержней, продольная ось которых составляет с оптической осью С угол в 90° или 60°.

 

Неодимовые лазеры

Неодимовые лазеры являются самыми распространенными из твердотельных лазеров. В них активной средой является кристалл иттрий – алюминиевого граната (Y3Al5O12), в котором часть ионовY3+ заменена ионами Nd3+ (ИАГ: Nd3+). Также используется фосфатное или силикатное стекло, легированное ионами Nd3+ (стекло: Nd3+). Типичныеуровни легирования для кристалла ИАГ: Nd3+ составляют ~ 1 ат. %, а уровни легирования стекла с Nd3+ ~ 3 вес.% Nd2 O3.

Обобщенная схема энергетических уровней Nd3+, характерная для гранатовых и стеклянных матриц, представлена на рис.2.2.

  Рис.2.2.Обобщеная схема уровней энергии иона Nd3+ в матрице.  

Накачка переводит ионы Nd3+ из основного состояния 4I9/2 в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбужденных состояний, их положения и ширины отличаются от матрицы к матрице. Из полос накачки осуществляется быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень 4F3/2. Время жизни этого уровня составляет 0,2 мс в ИАГ и 0,7 мс в стекле. Наибольшей вероятностью обладает лазерный переход 4F3/2®4I11/2 (l=1,06 мкм). Возможно получить генерацию на переходе 4F3/2®4I13/2 с l=1,32 мкм. Энергетическая щель между состояниями 4I11/2 и 4I9/2, равная примерно 2∙103 см-1, обеспечивает четырехуровневый характер генерации неодимового лазера.



Дата добавления: 2016-11-26; просмотров: 1815;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.01 сек.