Твердотельные лазеры 1. Рубиновый лазер 2. Неодимовый лазер.
• Рубин - это диамагнитный кристалл окиси алюминия Аl 2 О 3 (αкорунд) с парамагнитными примесными ионами хрома Сr³+. В зависимости от концентрации хрома синтетический кристалл αкорунда принимает различные цвета: 0, 5 % Сг — окраска яркокрасная, более 8 % Сг — цвет кристалла зеленый. Ионный радиус хрома (0, 63 10 -4 мкм) немного больше радиуса алюминия (0, 51 10 -4 мкм). Это приводит к тому, что ион хрома немного смещен от центра октаэдра вдоль тригональной оси кристалла, которая совпадает с оптической осью. Искажение симметрии кристалла приводит к внутренним напряжениям и дефектам структуры кристалла.
Определение основного состояния иона хрома • Ион хрома Сг³+ в кристаллической решетке содержит три электрона в 3 d – внешней электронной оболочке. В процессе ионизации при образовании решетки атом хрома теряет один электрон из оболочки 4 s и два электрона на оболочке 3 d. • Для определения основного состояния иона используют правило Гунда, согласно которому в основном состоянии должны быть: • максимальное допустимое принципом Паули значение полного спинового момента S ; • максимальное значение полного орбитального момента электронов L; • для оболочек, заполненных менее чем на половину, результирующий момент J=L-S, а • для оболочек, заполненных более чем на половину J=L+S. • Для трех электронов с s=1/2 суммарный спиновый момент S=3/2, а орбитальный (l=2, 1, 0) L=3, следовательно, J=L-S=3 -3/2=3/2. Поэтому в соответствии с общепринятыми обозначениями • ( состояния L=0, 1, 2, 3, 4, . . соответствуют • обозначения S, P, D, F, G, . . ) основное состояние можно обозначить • 2 S+1 F = 4 F. J 3/2
Диаграмма энергетических уровней • Диаграмма энергетических уровней ионов Сг³+ в рубине состоит из двух наборов уровней первый (слева) характерен для состояния иона Сг³+ со спином S = 3/2 нижний уровень набора 4 А 2 — основное состояние Сг³+ — имеет два подуровня с расстоянием между ними 0, 38 см-1. Два верхних уровня представляют собой уровни резонансного поглощения. Они состоят из шести дублетов и вследствие неоднородности поля сильно размыты. Второй набор уровней (справа) соответствует состояниям ионов Сг³+ со спином S = ½. Уровень 2 Е — метастабильный, дважды вырожденный, расщеплен на два подуровня с промежутком 29 см-1 уровни А являются орбитальными синглетами. Уровни 2 Е и 2 F 1 соответственно дважды и трижды вырождены. Положение уровней 2 Е слабо зависит от неоднородностей кристалла, и они почти не имеют уширения.
• Если инверсия населенности не достигает порогового значения, то наблюдается только спонтанное излучение в виде люминесценции рубина на одной из двух узких линий R 1 (λ 1 = 0, 6943 мкм) либо R 2 (λ = 0, 6929 мкм) с уровней 2 А и Е соответственно (рис. 6. 3). Квантовая эффективность в R-линиях составляет ~0, 52. Практически рубиновый лазер излучает на R 1 линии, так как вероятность перехода в ней выше и проще достижимы пороговые условия. • Линии люминесценции рубина R 1 (1) и R 2 (2) при Т=300ºК (кривая 1) и при Т=77ºК (кривая 2).
Кинетические уравнения для трехуровневой системы • Рассмотрим процесс перераспределения населенности уровней под действием накачки в трех уровневой системе. Пусть Е 3> >Е 2>Е 1. Накачка воздействует на переходы между уровнями 1 и 3. Уравнения, описывающие изменение населенности уровней, имеют вид: • • =В 13 Wнак(N 1 – N 3)– a 31 N 3 – a 32 N 3 ; • • = a 32 N 3– a 21 N 2; N = N 1 + N 2 + N 3.
• В стационарном режиме d. N/dt=0, и пренебрегая всеми вероятностями релаксационных переходов, кроме a 31, a 32, a 21 получаем решение в виде:
• Различают два важных случая. • 1. При а 21 > а 32 стационарная инверсная населенность осуществляется при любой плотности энергии накачки между уровнями 3 и 2 • 2. При а 32 > а 21 (рис. 6; в) стационарная инверсная населенность может происходить между уровнями 2 и 1 при плотности энергии накачки, превышающей пороговое значение:
Поведение четырехуровневой квантовой системы под действием накачки • При накачке четырех уровневой системы, когда процесс накачки вызывает переходы между уровнями 1 и 4, возможно получение стационарной инверсии населенности между парами уровней: 3 и 1; 2 и 1; 3 и 2. На практике реализуется создания инверсии населенности между уровнями 3 и 2. • Для этого необходимо, чтобы a 43>a 32 и a 21>a 32. т. е. уровень 3 должен быть метастабильным, а уровни 4 и 2 быстро обедняться за счет релаксационных переходов.
Характеристики временного и пространственного распределения излучения • временные режимы работы твердотельных лазеров: непрерывный режим (преимущественно газовые и п/п лазеры); • режим миллисекундного импульса (Пичковый-свободная генерация); • периодический импульсный режим - временной режим работы лазера с миллисекундной длительностью излучаемого импульса. Частота генерации импульсов лазера на рубине достигает 50 Гц, а лазера на иттрий-алюминиевом гранате, активированном неодимом, — порядка 1000 Гц. Получение периодического миллисекундного режима в значительной степени зависит от эффективности охлаждения активной среды. ; • режим с модуляцией добротности (режим гигантских импульсов) получают импульсы длительностью от 10 до 1000 нс; • Режим пикосекундных импульсов длительностью (10¹² ־¹¹. . . 01־ с. Этот режим достигается с помощью метода синхронизации, при этом мощностью излучения достигает 10 ¹²Вт.
Режим свободной генерации • Схема твердотельного лазера импульсного действия (а) и пичковый режим вынужденного излучения (б): • 1 — призма полного внутреннего отражения; 2 — активная среда; З — импульсная лампа накачки; 4 — устройство накачки; 5 — электрод поджига; 6 — резонансный отражатель (стопа пластин) параметры и • б) характеристики излучения лазера.
• • Лавиннообразный процесс возбуждения протекает в весьма короткое время — порядка 150 мкс. Для рубинового лазера типичным является режим свободной генерации (или пичковый режим). Длительность импульсов лежит в пределах 0, 1. . . 1 мс. Форма такого импульса представляет собой огибающую релаксационных колебаний и состоит из серии пичков, длительность которых меняется от нескольких сотен наносекунд до микросекунд, причем амплитуда пичков и расстояние между ними беспорядочно флюктуируют. При увеличении отношения входной энергии накачки Евх к порогой Е 0 до определенного предела Евх/Е 0 < 3 сначала происходит увеличение пульсаций, а затем происходит срыв генерации из-за перегрева кристалла. Излучение импульсного лазера, в режиме свободной генерации. 1 – излучение лампы накачки, 2 – излучение лазера, 3 - калибровочные импульсы.
Метод модулированной добротности Принцип метода модулированной добротности • Изменение инверсии и числа фотонов в резонаторе в процессе генерации гигантского импульса
• инверсия населённости, соответствующая максимуму лазерного импульса.
Метод модулированной добротности • Существует три основных вида модуляции добротности. 1. Механические методы модуляции добротности. Одно из двух зеркал резонатора вращается вокруг оптической оси. Потери в резонаторе очень высокими на протяжении всего цикла, за исключением короткого интервала времени, соответствующему параллельному расположению зеркал. Этот момент времени соответствует включению добротности. Часто вместо зеркал используют призму полного внутреннего отражения. Призма вращается с частотой порядка w=24000 об/мин
Механические методы модуляции добротности Схема модуляции добротности с помощью вращающейся призмы. Вращающаяся призма вместе с вращающемся зеркалом только в тот момент, когда основание призмы параллельно зеркалу.
2. Пассивная модуляция добротности Внутри резонатора помещают насыщающийся поглотитель, т. е. вещество, показатель поглощения которого уменьшается с ростом интенсивности излучения. • Эффект просветления определяется переходом поглощающих молекул красителя в возбуждённое состояние и связанным с этим уменьшением показателя поглощения из-за насыщения. Интенсивное лазерное излучение просветляет краситель, что приводит к резкому повышению добротности. После просветления лазер излучает импульс длительности 30 -40 нс и мощностью 109 Вт.
Оптические методы модуляции добротности. Внутри резонатора имеется специальный элемент – оптический модулятор , оптические свойства которого можно изменять с помощью внешнего воздействия. Наиболее часто для этих целей используют электрооптические и акустооптические модуляторы, работающие на основе электрооптических и акустооптических эффектов в кристаллах. Излучающий импульс достигает длительности 8 -10 нс и мощностью 2 -3 Мг. Вт.
3. Активная модуляция добротности с ячейкой Керра. • При распространении света через вещество перпендикулярно оптической оси наблюдается двойное лучепреломление Излучение преобразуется в две волны с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, причем разность между показателями преломления необыкновенной и обыкновенной волнами дается соотношением: • где K- постоянная Керра При прохождении света через среду толщиной L образуется разность фаз:
Оптические методы модуляции добротности.
• Первичный луч –линейно-поляризован, • после ячейки – круговая поляризация: • после двукратного отражения- линейно-поляризованная волна: • Таким образом, отраженный пучок света линейно поляризован в направлении, перпендикулярном направлению поляризации первичного луча. • Это приводит к повышению порога возбуждения лазерной генерации.
Модуляция добротности резонатора с помощью ячейки Поккельса на кристалле KH 2 PO 4 (KDPпараметры а=13 мм, l=50 мм, b=8 мм)
Пространственное распределение излучения. • Пространственное распределение излучения рубинового лазера с модулированной добротностью. • Зона 1 - характеризуется средней относительной интенсивностью >0, 15 2 - >0, 24 3 - >1, 4> 0, 64. • Выходное излучение твердотельных лазеров имеет сложное пространственное распределение, оно неупорядочено и не позволяет различить модовую структуру.
Расходимость излучения лазера • Расходимость излучения лазера — это угловая расходимость плоского или телесного угла, характеризующая ширину диаграммы направленности в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии по отношению к ее максимальному значению. • Типичные значения расходимости излучения для различных типов лазеров следующие: газового (СО 2) = 1, 1. . . 4 мрад; твердотельного рубинового и на стекле с неодимом = 0, 5. . . 10 мрад, а самая большая расходимость — у полупроводникового лазера = 20. . . 500 мрад. Расходимость и спектр излучения зависят от числа одновременно возбужденных мод резонатора. Если подавить поперечные моды ТЕМ, IП, кроме основной — продольной, то можно уменьшить расходимость лазера до дифракционного предела. Минимальная ширина спектра достигается, когда генерация происходит на одной аксиальной моде. Существует минимальное значение угловой расходимости, определяемой дифракцией • где dл — диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии.
• В пучке излучения твердотельного лазера различают ближнюю и дальнюю зоны (рис. 9). В ближней зоне пространственное распределение интенсивности в луче такое, как и на выходной апертуре лазера, и расходимость луча мала. Эти условия сохраняются на расстоянии порядка D/10, где • На больших расстояниях угловая расходимость увеличивается вследствие дифракции, заметно возрастая в дальней зоне.
Скачать презентацию Твердотельные лазеры 1 Рубиновый лазер 2 Неодимовый лазер
lek_81.ppt