Активные элементы ТТЛ

В настоящее время выпускаются три вида твердотельных активных сред для лазеров: рубиновые стержни, активные элементы из неодимового стекла и стержни из YAG, легированные неодимом. В силу существенного различия как технологии их получения и обработки, так и генерационных свойств. Целесообразно рассмотреть каждый вид стержней отдельно.

Рубиновые стержни

Рубиновые лазерные стержни (РЛС) являются наиболее распространенной активной средой ТТЛ. Большинство бледно-розовых РЛС изготавливаются из кристаллов, выращиваемых из химически чистой пудры Al₂O₃, легированной окисью хрома Cr₂O₃. Выращенные були отжигают в вакууме при температуре 1950^oС для снятия напряжений, которые возникают в процессе роста кристалла и медленно (~50^oс/г) охлаждают. Затем кристалл разрезают алмазными пилами на заготовки, из которых алмазной шлифовкой получают стержни.

Размеры серийных рубиновых стержней лежат в пределах: диаметр 8,0…16 мм, длина 45…240 мм. Максимальные размеры стандартного ….. Ф24*480 мм. Наружную поверхность обычно грубо шлифуют, а затем полируют щетками с субмикронной алмазной пастой. В результате получается волнистая полированная поверхность, которая эффективно перераспределяет свет накачки по всему объему стержня. Это обеспечивает равномерную накачку даже при заметной асимметрии лампы в осветителе. Диаметр стержня обычно имеет стандартные размеры ( 8, 10 или 16 мм) и обработан по скользящей посадке 9-10 квалитета точности. Структура стандартных стержней и их форма приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3. Структура стандартных рубиновых стержней.

Марка	Эскиз элемента
Р
РЛ
РЛ1Б
РЛ2Б
РЛС
РЛО
РЛОЛ
РЛОЛ1Б
РЛОЛ2Б

Лейкосапфировые “наконечники” на стержнях марок РЛ, РЛ1Б, РЛ2Б, РЛС, РЛОЛ, РЛОЛ1Б, РЛОЛ2Б получают на стадии выращивания путем подачи (на соответствующих этапах выращивания кристалла) в пламя горелки чистой пудры Al₂O₃ (без примесей) Cr₂O₃. За счет отсутсвия примесей такие наконечники обеспечивают повышение порогового поверхностного излучения, то есть лучшие эксплуатационные характеристики стержня. Стержни с лейкосапфировыми наконечниками обладают лучшими генерационными характеристиками, так как в них (в отличие от марок Р и РЛО) не экранируются торцовые участки кристалла от света накачки при механическом закреплении стержня в цанги и герметизации в случае жидкостного охлаждения. В результате отсутствуют участки рубина, не подвергающиеся оптической накачке: таким образом, характерное для невозбужденного рубина сильное поглощение на рабочей длине волны = 0,69 мкм полностью устраняется светом лампы накачки. В стержнях марок Р и РЛО при экранировании торцевой части кристалла крепежными элементами остаточное поглощение на ликвидируется светом генерации, что заметно уменьшает выходную энергию импульса. Назначение лейкосапфировой ”оболочки” в стержнях марок РЛО, РЛОЛ, РЛОЛ1Б и РЛО2Б заключается в обеспечении более интенсивной и равномерной центральной (“рубиновой”) части стержня. При отсутствии оболочки интенсивность накачки вблизи наружной поверхности примерно вдвое меньше, чем вблизи оси (рис.4.5) ; при трехуровневой схеме активной среды, характерной для рубина, это приводит к появлению остаточного поглощения, ликвидируемого полем генерации, что уменьшает КПД лазера. Для получения стержней с лейкосапфировой оболочкой используют специальный бункер для пудры. В этой конструкции помимо основного центрального бункера с пудрой Al₂O₃ с примесью для порошка Cr₂O₃ имеется второй кольцевой бункер с чистой пудрой Al₂O₃. Существенно, что в этом случае из одной були можно получить только один стержень, тогда как из толстой рубиновой були можно получить 4-6 стержней, правда, не очень высокого оптического качества из-за ассиметрии распределения ионов Cr³⁺ по поперечному сечению (рис.4.6).

Рисунок 4.5 - Распределение энергии накачки в рубиновом стержне диаметром 2Rc с лейкосапфировой оболочкой. Кривая для R₀/R_C соответствует энергиям марок Р, РЛ, РЛ/Б, РЛ2Б, РЛС; кривая для R₀/R_C = 1,4 – оболочке неоптимальной толщины.

Непараллельность торцев стержней, перпендикулярных боковой поверхности, не превышает 10”, а скошенных 2’. Последнее необходимости для формирования диаграммы направленности. Измерение показателя преломления в кристаллах рубина диаметром 16 мм, выращенных по методу Вернейля (Рис.4.6а) и Чохральского (Рис.4.6б), связанное с неравномерностью содержания легирующей примеси Cr³⁺ из-за специфики роста кристалла. Существенное значение имеет оптическая однородность стержня, которая при плоскопараллельных концах определяется в основном изменением показателя преломления (рис.4.6а). Допустимые значения возрастают по мере увеличения диаметра и концентрации Cr³⁺ от 0,6 (Ф8; 0,015% Cr) до 1,6 (Ф16; 0,03% Cr). Соответственно растет и допустимое число непроплавов и пузырей. ( мм) с 9 в стержне Ф8 до 30 в стержне Ф16. Существенно, что оптическая сила стержня рубина, выращенного по методу Вернейля (рис.4.6а), отрицательна и легко может быть компенсирована положительной силой сферической поверхности (выпуклость торца стержня, вогнутость зеркала резонатора, положительная линза в резонаторе и.т.д.). Если же кристалл выращен по методу Чохральского из раствора в расплаве, то он эквивалентен положительной сферической линзе, и неравномерность показателя преломления по поперечному сечению может быть исправлена только сферической поверхностью с отрицательной силой. Преимущесвом таких кристаллов является практически полное отсутсвие рассеивающих частиц размером более 0,5 мкм, в результате чего потери из-за светорассеяния не превышают 10^-4 см ^-1, то есть меньше, чем у лучших неодимовых стекол.

Рисунок 4.6 - Оптическая неоднородность стержня.

Высокие генерационные характеристики рубина определяются в значительной степени его высокой теплопроводностью, которая при комнатной температуре составляет 20 . В результате, при наличии эффективной системы жидкостного охлаждения, рубиновые стержни способны работать в герцовом режиме, несмотря на сравнительно низкий КПД генерации (1-2%). Более того, из-за относительно высокой теплопроводности тонкие рубиновые стержни способны генерировать (~1 Вт) при непрерывной накачке. С другой стороны, так как при температуре, достигнутой 40 К, теплопроводность рубина монотонно уменьшается (рис.4.7), его генерационные характеристики существенно зависят от средней температуры стержня.

Рисунок 4.7 - Зависимость теплопроводности рубина от температуры

Неравномерный нагрев, возникающий из-за несимметричности температуры осветителя при неудобной конструкции системы охлаждения, приводит к возникновению механических напряжений, а в последние к наведенному лучепреломлению . Для стержней низкого качества типичное значение . В плоско-параллельном резонаторе при повышении механических напряжений из-за перегрева резко возрастает расходимость излучения. Вторая причина ухудшения генерационных свойств рубина связана с уменьшением спектральной линии рабочего перехода ( ). Естественное уширение спектральной линии Cr⁺³ составляет 0,07 см^-1 (~2ГГц) и является следствием заметного искажения параметров кристаллической решетки - корунд (ромб с размерами, а=0,47477 нм, с=1,2962 нм); решетка окиси хрома имеет а=0,4939 нм, с=1,358 нм. При азотной температуре 77 К ширина линии несколько увеличивается (до 0,3см^-1). Резкое уширение спектральной линии (Рис.4.8) происходит при работе лазера в обычных условиях (Т=300 К), когда =10 см^-1 ( Гц), частично коэффициент усиления составляет лишь 0,2…0,4 см^-1 (в зависимости от интенсивности накачки и собственных потерь стержня =0,01-0,08 см^-1) вместо 16 см^-1 при азотной температуре.

Рисунок 4.8- Зависимость ширины нейтральной линии рубина от температуры

Типичное значение удельной энергии для розового рубина (n₀=10¹⁹ см^-1) составляет 0,25…2 Дж/см³. Большой энергосъем для рубина невозможен, так как при повышении концентрации резко возрастают собственные потери (концентрационное тушение люминисценции) снижается КПД лазера.

Для надежной эксплуатации лазеров существенна лучевая стойкость стержней в поле генерации. В зависимости от режима работы (свободная генерация или гигантский импульс) поверхностно лучевая стойкость рубина составляет ~10⁶ Вт/см² и ~10¹ Дж/см².

Рисунок 4.9 - Зависимость пороговой мощности, вызывающей разрушение полированной поверхности рубина от длительности импульса

В соответствии с рисунком 4.9 граница между пороговой плотностью энергии (когда не срабатывает механизм теплоотвода и теплопроводность не играет существенной роли) лежит в области длительной генерации 10^-5 с, что не типично для рубиновых лазеров. Объемная лучевая стойкость существенно выше ( Вт/см²) и поэтому может не приниматься во внимание в лазерах с резонаторами без точки концентричности.