Лазеры на алюмо-иттриевом гранате

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

НЕОДИМОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Цель работы: ознакомиться с устройством и работой промышленного неодимового лазера с удвоителем частоты, освоить различные режимы работы лазера и получить спектр флуоресценции прилагаемого образца.

Состав установки: Неодимовый лазер, монохроматор, ФЭУ, осциллограф, светофильтры.

Наибольшее распространение среди твердотельных лазеров, наряду с рубиновым, получили лазеры, у которых в качестве матрицы используются стекло или кристалл алюмо-иттриевого граната (Y₃Аl₅О₁₂) с добавками трехвалентных ионов редкоземельных элементов.. Самым распространенным активатором лазерных кристаллов и стекол является ион Nd³⁺, но к настоящему времени созданы лазеры с участием ионов Er³⁺, Sm³⁺, Pr³⁺, Eu³⁺и др. В последнее время в промышленности стали использоваться и другие типы кристаллов, такие как аллюминат иттрия, калий гадолиниевый, вольфрамат.

Неодимовые лазеры независимо от используемой матрицы работают по четырехуровневой схеме накачки.

Четырёхуровневые лазеры

На Рис.1 показана типовая структура энергетических уровней лазера, работающего по четырёхуровневой схеме. В этой схеме канал накачки полностью отделён от канала усиления. Это позволяет получать

Рис. 1 инверсию населённости при минимальных уровнях накачки. Инверсия достигается между уровнями и Очевидно, что для этого необходимо, чтобы уровень быстро заполнялся, а уровень - быстро опустошался за счёт релаксационных процессов соответственно 4 ® 3 и 2 ® 1. В реальных активных средах осуществляются также переходы 4 ® 1, 4 ® 2, 3 ® 1, 1 ® 2, 3 ® 4, которые приводят к уменьшению инверсии.

Отметим ряд общих положений, относящихся к многоуровневым схемам, на примере четырёхуровневой схемы. Для исключения термического заселения верхних уровней необходимо, чтобы расстояния между уровнями энергии и были больше . Однако они не должны быть слишком большими, поскольку в противном случае большая часть энергии накачки будет расходоваться бесполезно. Это приведёт к уменьшению к.п.д. (для четырёхуровневой схемы ) и разогреву активного вещества, если избыточная энергия при релаксационных процессах в конечном итоге выделится в виде тепла.

При оптической накачке, когда источник накачки излучает в широком спектральном интервале, необходимо, чтобы верхний уровень Е₄ был достаточно широким. Это нужно для более полного использования излучения накачки. Однако при накачке лазерным излучением, характеризующимся высокой монохроматичностью, это условие не является обязательным. Для исключения самопоглощения, приводящего к переходам и , желательно, чтобы релаксационные процессы осуществлялись за счёт неоптических (безызлучательных) переходов.

Время жизни на верхнем рабочем уровне должно определяться излучательными процессами, а вероятность безызлучательных переходов с этого уровня должна быть минимальной.

Рассмотрим в качестве примера упрощенную схему энергетических уровней иона неодима (Рис. 2) в кристалле алюмо-иттриевого граната. Спектр поглощения иона неодима состоит из большого числа сравнительно узких полос, но основной энергетический вклад в поглощение света накачки дают пять полос, расположенных в области 520, 580, 740, 800 и 900 нм (заштрихованная область на Рис.2). Наиболее интенсивная люминесценция соответствует длине волны 1,06 мкм.

Время жизни на уровне накачки менее 10^-8 с. Метастабильный уровень ⁴ F _3|2 также состоит из большого числа подуровней, но, поскольку время теплового равновесия между ними значительно меньше времени основного перехода, его также можно считать одиночным. Время жизни метастабильного уровня лежит в пределах 10^-3 —10^-4 с.

Имеется также несколько энергетических уровней, условно соответствующих второму уровню (Рис.1), но каждый из них можно считать единственным, полагая, что его населенность задается по закону Больцмана. Нижний лазерный уро-

вень ⁴ I _11|2 достаточно далеко отсто-

Рис.2 ит от основного состояния ⁴ I _9|2 и вследствие быстрой безызлучательной релаксации имеет малое время жизни, порядка 6×10^-8c. Поэтому он практически не заселен при комнатной температуре, и это состояние сохраняется даже при очень больших уровнях накачки. Четырехуровневая схема возбуждения в сочетании с высоким коэффициентом усиления обеспечивает низкий порог генерации лазерных сред, активированных неодимом.

Лазеры на алюмо-иттриевом гранате

Рассмотрим искусственный кристалл АИГ: Nd³⁺ (так называют кристалл алюмоиттриевого граната), используемый в качестве лазерного активного элемента. Лазерные кристаллы АИГ: Nd³⁺ получают путем добавления в исходный состав чистого кристалла АИГ определенного количества окиси неодима Nd₂O. Поскольку радиус ионов неодима несколько превышает радиус замещаемых ионов иттрия, это приводит к объемной деформации кристаллической решетки чистого кристалла и ограничивает допустимую концентрацию ионов неодима в кристалле. Оптимальная объемная концентрация ионов неодима с точки зрения всего комплекса требований составляет примерно 5 × 10¹⁹ см^-3. Высокая твердость кристалла позволяет достигать и сохранять в процессе эксплуатации высокое качество его рабочих поверхностей.

Важными характеристиками лазерных уровней являются их ширина и характер уширения. В реальных лазерных средах ширина уровней каждого, отдельно взятого иона, определяется воздействием на ион колебаний решетки (фононов). С повышением температуры кристалла колебания решетки усиливаются, и уровень уширяется больше. Этот фононный механизм уширения является определяющим для реальных температур эксплуатации активных элементов граната с неодимом (±60 °С). Контур линии перехода описывается лоренцовой кривой. Численное значение ширины линии определяется силой воздействия колебаний решетки на ионы неодима и выражается через так называемое поперечное время релаксации перехода в виде ; . Время для лазерного перехода в диапазоне температур ±60 °С составляет примерно 1,6×10^-11 с, что соответствует полуширине перехода = 195 ГГц. Положение центров отдельных контуров линий определяется штарковским сдвигом, задаваемым кристаллическим полем вокруг каждого конкретного иона. Разброс центров приводит к неоднородному уширению линии перехода. Но, поскольку структура кристаллической решетки матрицы АИГ является правильной, разброс кристаллических полей, а значит, и разброс центров контуров ионов невелик, и поэтому в целом для активной среды можно считать усредненный контур линии однородно уширенным с лоренцовской формой, совпадающей с формой линии отдельного иона в среде.

Важной характеристикой активных элементов лазеров является их оптическая однородность. Современная технология позволяет выращивать и изготовлять достаточно большие и совершенные кристаллические активные элементы АИГ: Nd³⁺ длиной 50-250 мм и диаметром 4-15 мм, что позволяет получать в режиме свободной генерации до десятков джоулей при КПД > 1 %, а в непрерывном режиме до сотен ватт при КПД около 2,5—3%.

В настоящее время создан унифицированный ряд твердотельных лазеров на АИГ: Nd³⁺ для широкого использования в промышленности и научных исследованиях. Наибольшее распространение получили лазеры с накачкой дуговыми криптоновыми лампами, работающими как в непрерывном, так и в импульсном режимах. В последнее время развивается метод селективной накачки с помощью линейки полупроводниковых светодиодов, излучающих в области 0,81 мкм, что позволяет создавать миниатюрные твердотельные лазеры.

Лазеры на АИГ: Nd ³⁺применяются в технологических установках для сварки, сверления, резки, скрайбирования, подгонки номиналов пассивных элементов микросхем, лазерного отжига и др.

Лазеры на стекле с неодимом

Другим веществом, широко используемым в качестве матрицы активного элемента, является стекло. Оно относится к телам аморфного строения, поскольку взаимное расположение атомов (ионов) в стекле характеризуется ближним порядком, тогда как дальний порядок отсутствует. Ионы активатора аморфной матрицы не внедряются в узлы решетки, как в кристаллической матрице, а входят в стекло в качестве его компонента. В силу этого стекло допускает большее введение активных центров, до 6%, что соответствует N»10²¹см ^-3. Структура энергетических уровней иона Nd³⁺ в стекле примерно такая же, как и кристалле, но полосы поглощения и люминесценции шире. Люминесценция ионов неодима проявляется при возбуждении в любой из полос поглощения, начиная с 900 нм и менее. Она состоит из четырех полос, но наиболее интенсивная люминесценция соответствует длине волны 1,06 мкм. Ширина этой линии составляет 20 нм. Время жизни метастабильного состояния сильно зависит от состава стекла и концентрации неодима и изменяется в пределах 10^-4 –10^-3 с. Длительность распада подуровней терма, соответствующего второму лазерному уровню, около 10^-8 с. Он находится по отношению к основному состоянию на расстоянии около 2000 см^-1, что обеспечивает четырехуровневый характер генерации неодимового лазера при комнатной температуре.

В стеклах из-за неоднородности локальных электростатических полей ближайшего окружения линия люминесценции 1,06 мкм сильно неоднородно уширена (Dl»30-50 нм) по сравнению с кристаллической матрицей АИГ: Nd³"¹', где однородное уширение составляет примерно 0,7 нм.

Из различных сортов стекол наибольшее время жизни метастабильного состояния и наибольший квантовый выход люминесценции имеют силикатные стекла. Достигнуты значения импульсной энергии излучения в десятки килоджоулей при КПД до единиц процентов. Стекло является отличным оптическим материалом. Технология его изготовления хорошо отработана, и из него могут быть получены детали любой формы и размеров: от волокон диаметром в единицы микрометров до дисков диаметром в несколько метров. Главным достоинством стекла является его высокая оптическая однородность. Градиент показателя преломления хорошего лазерного стекла составляет ±(0,5¸2) × 10^-8 см^-1. По этой причине расходимость излучения лазеров на стекле меньше, чем у рубиновых и АИГ: Nd³⁺ - лазеров.

К сожалению, стекло имеет и ряд недостатков. Одним из них является фотохимическая неустойчивость стекла. Под действием ультрафиолетового излучения, присутствующего в спектре излучения ламп накачки, происходит восстановление трехвалентного железа в двухвалентное, которое поглощает излучение на длине волны 1,06 мкм. Результатом этого процесса является «старение» материала, что приводит к постепенному снижению генерационных характеристик, вплоть до исчезновения генерации.

Существует и ряд факторов, ограничивающих мощность генерируемого излучения. Это процессы поглощения собственного излучения

на микропримесях, эффекты самофокусировки.

В настоящее время отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают более 50 марок активированных неодимом стекол, среди которых наибольшее распространение получили силикатные и фосфатные стекла, основой которых является SiO₂ (кварц) или P₂O₅. Сравнительный анализ показывает, что с точки зрения порога генерации и КПД более предпочтительными являются фосфатные стекла. Другая важная особенность фосфатных стекол — их значительно лучшие термооптические свойства, что позволяет получать пучки излучения с меньшей угловой расходимостью (менее 5').

В режиме модуляции добротности импульсные мощности лазеров на стекле могут достигать значений 10¹⁴ Вт при наносекундной длительности импульсов. В режиме синхронизации мод возможно получение импульсов длительностью менее 10 ^-14 с.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 223; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!