Введение в твердотельные лазеры Л Н Сомс

Введение в твердотельные лазеры Л. Н. Сомс

Три базовых идеи • Стимулированное излучение • Инверсия населенностей • Положительная обратная связь в открытых резонаторах

Вынужденное излучение

Инверсия

Инверсия: как сделать?

Обратная связь – открытый резонатор

Theodore Harold Maiman 11 июля 1927, Лос-Анджелес — 5 мая 2007, Ванкувер Maiman, Theodore (6 August 1960). "Stimulated Optical Radiation in Ruby". Nature 187: 493– 494. Patent USA: Publication number Publication type Publication date Filing date Priority date Inventors Original Assignee US 3353115 A Grant Nov 14, 1967 Nov 29, 1965 Apr 13, 1961 Theodore H Maiman Hughes Aircraft Co

Theodore Harold Maiman 11 июля 1927, Лос-Анджелес — 5 мая 2007, Ванкувер

Theodore Harold Maiman 11 июля 1927, Лос-Анджелес — 5 мая 2007, Ванкувер Publication number US 3353115 A Publication type Grant Publication date Nov 14, 1967 Filing date Nov 29, 1965 Priority date Apr 13, 1961 Inventors Theodore H Maiman Original Assignee Hughes Aircraft Co

Особенности твердотельных лазеров • Среды: люминесцирующие кристаллы и стёкла. • Активаторы: РЗ ионы или ионы группы переходных металлов

Особенности твердотельных лазеров • Лишь оптическая накачка • Высокая концентрация активатора • Сложности с теплоотводом • Значимость нелинейных процессов

Оптическая накачка и битва за КПД

Газоразрядные лампы светят мимо полос поглощения активаторов (пример – Nd) Nd: Излучение 1, 06 мкм

Отсюда ужасающе низкий КПД

Лазерная диодная накачка – революция в технике ТТЛ • Англ: Diode Pumped Solid State Lasers, DPSSL • Идея лазерной накачки – середина 80 -х гг. (ГОИ) – уменьшение тепловыделения в ТТЛ с высокой яркостью излучения

При ЛД-накачке ~1/4 от энергии кванта накачки идет в тепло, ¾ - в инверсию; + более высокий КПД передачи энергии от ЛД к элементу; + более полное поглощение активатором

Как результат – увеличение КПД лазера на порядок и более!

SG DPSSL стал бытовым прибором

Высокая концентрация активатора C(тв. т. ) ~ 10^23 1/см^3 C(газ) ~ 10^19 1/см^3 От микрочип-лазеров до портативных дальномеров/целеуказателей до тактических силовых установок до комплекса лазерного термоядерного синтеза

National Ignition Facility at LLNL

Теплоотвод и термоиндуцированные искажения оптического пути

Карта лазерных частот

Какие ТТЛ бывают…(из Википедии)

Импульсы • Tpump ~ τ Tpulse ~10^(-4)– 10^(-3) s • Режим модуляции добротности (Q-switch • mode) Tpulse~n*10*(2 L/c) ≈ 5 -10 ns Режим разгрузки резонатора (cavity dumping) Tpulse ~ 1*(2 L/c) ≈ 0, 5 -3 ns

Импульсы: еще короче…

Применения • • • Нелинейная оптика (генерация высоких гармоник оптического лазерного излучения) Генерация когерентного вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения Генерация аттосекундных импульсов, получение сверхкоротких импульсов в различных диапазонах длин волн и сверхкоротких импульсов частиц Генерация суперконтинуума (так называемый белый лазер) Генерация когерентного терагерцовового излучения

Применения • Ускорение электронов нелинейными плазменными • • • волнами до энергий порядка нескольких Гэ. В Высокотемпературное фотонное эхо и эхопроцессоры, исследование быстротекущих процессов, фемтохимия, прецизионная спектроскопия, оптические стандарты частоты, инициирование фотоядерных реакций Оптическая томография и микроскопия, прецизионная обработка материалов, опыты по нелинейной квантовой электродинамике (в том числе и релятивистское взаимодействие излучения с веществом) Телекоммуникации (передача больших объёмов данных)

Импульсы: еще мощнее…

• Многое и другое сотворилъ Іисусъ; но, если бы писать о томъ подробно, то, думаю, и самому міру не вмѣстить бы написанныхъ книгъ. • Аминь. /Iн. 21: 25/