Кафедра №37 «ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»

1. Московский инженерно-физический институт(государственный университет) Кафедра №37«ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА» ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ЛАЗЕРНАЯТЕХНОЛОГИЯ Лекция-10

2. Лазерные технологические установки на основе твердотельных лазеров. Сравнительные характеристики активных сред твердотельных лазеров. Среди множества кристаллов с различными примесями наиболее широкое применение нашли Al2O3:Cr3+ (рубин) и Y3Al5O12:Nd3+(иттрий-алюминиевый гранат - YAG). Прочие лазерные кристаллы по разным причинам применяют гораздо реже, в лабораторной лазерной технике. Промышленность выпускает также лазеры на основе различных стекол с Nd3+ (для технологических лазеров) и стекловолокон с Er3+, Yb3+ (для волоконных лазеров).

3. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Рубин представляет собой ионный кристалл окиси алюминия (глинозем, корунд, лейкосапфир или просто сапфир) Al2O3 с замещением части ионов Al3+ на Cr3+. Нелегированный корунд - кристалл, по твердости уступающий только алмазу, с заметным двулучепреломлением (показатель преломления для обыкновенной волны 1.76). Теплоповодность его при комнатной температуре на порядок хуже, чем у металлов, а при снижении температуры теплопроводность растет, достигая максимума вблизи температуры жидкого азота, где она становится лучше, чем у меди. Оптимальной принято считать концентрацию ионов хрома около 0,05% (по массе). Повышение концентрации хрома, во‑первых, снижает однородность накачки за счет более сильного светопоглощения. Во‑вторых, при высокой концентрации легирующих ионов их уровни энергии испытывают уширения и сдвиги за счет взаимодействий между близко расположенными ионами. Чисто кулоновское взаимодействие дает сдвиг и некоторое неоднородное уширение. Обменное взаимодействие из‑за перекрытия волновых функций локализованных состояний ионов превращает уровень энергии в квазинепрерывную полосу (примесную зону), внутри которой облегчены пространственная миграция энергии возбуждения и релаксационные процессы. Результатом обменного взаимодействия будет дополнительное однородное уширение. Изредка используют рубины с содержанием хрома до 1%. В этих случаях нужна очень мощная накачка, но и энергия излучения может быть гораздо большей.

4. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Систему уровней энергии ионов Cr3+, показанную на рисунке, приближенно описывает простая трехуровневая схема. Излучение накачки поглощается на переходах 4A2 ‑ 4F1,2 (сине-зеленая и фиолетовая полосы поглощения). Время жизни 4F‑состояний мало (10-7 ..10-8 с); его определяют безызлучательные переходы в метастабильное состояние 2E, расщепленное на два близких (29 см‑1) подуровня, 2A и Е. Их заселенности при комнатной температуре практически одинаковы (kT 200 см-1). Переходы из этих долгоживущих состояний ( 3 мс ) в основное и способны дать лазерную генерацию на линиях R1 (693,4 нм) и R2 (692,9 нм). Указанные длины волн лазерных переходов относятся к комнатной температуре; при понижении температуры кристалла они уменьшаются под влиянием решетки.

5. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Импульс рубинового лазера.

6. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Для рубинового (и вообще трехуровневого) лазера разумно определить два пороговых уровня мощности накачки: порог инверсии - мощность, необходимая для уменьшение в два раза заселенности основного состояния; при этом заселенности нижнего и верхнего рабочих уровней лазера будут равными; порог генерации - мощность, необходимая для полной компенсации потерь излучения в лазере усилением активной среды. Еще одно важное свойство трехуровневой активной среды - поглощение на частоте самого лазерного излучения в пассивных (не освещенных интенсивным излучением накачки) участках рабочего вещества. Наличие таких пассивных областей из-за неудачной конструкции ухудшает рабочие характеристики рубинового лазера, в первую очередь снижая энергию и мощность излучения, а также влияет на динамику его излучения (зависимость мощности от времени, характер самопроизвольных пульсаций излучения и т.п.). Типовой режим работы лазера на рубине - импульсный. Так как время жизни верхнего лазерного уровня порядка миллисекунды, то имеет смысл использовать световые импульсы накачки длительностью от сотен микросекунд до единиц миллисекунд. Для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы с ксеноном или криптоном (100 Торр), дающие практически белый свет с существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы хрома имеют сильные полосы поглощения.

7. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР а) б) а) б) в) г) Осциллограммы импульсов рубинового лазера. а)- в режиме свободной генерации, б), в) –в режимах сглаживания г) – в квазистационарном режиме.

8. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР а) б) Структурная схема рубинового лазера. а)-Излучатель показан в продольном разрезе. б) - Поперечный разрез излучателя рубинового лазера

9. Твердотельные Nd:YAG-лазеры а) б) Упрощенная схема энергетических уровней кристалла Nd:YAG(обозначения слева в термах рис. 1.1, обозначения уровней получены из теоретико-  группового анализа состояний ионов в кристалле

10. Твердотельные Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой а) б) 1 — заднее зеркало, 2 — лампа накачки, 3 — кристалл Nd:YAG, 4 — отражатель, 5 — заслонка, 6 — выходное зеркало, 7 — модулятор света, 8 — фокусирующая оптическая система

11. Твердотельные Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой а) б) 1- заднеезеркало, 2 - лазерныедиодыоптическойнакачки, 3 - кристаллNd:YAG, 4 - корпус, 5 - заслонка, 6 - выходноезеркало, 7 - модуляторсвета, 8 - фокусирующаяоптическаясистема

12. Волоконные лазеры а) б) Оптическаясистема с волоконнымлазером: 1 — сердцевина, легированнаяметаллом, диаметр 6–8 мкм; 2 — кварцевоеволокно, диаметр 400–600 мкм; 3 — полимернаяоболочка; 4 — внешнеезащитноепокрытие; 5 — лазерныедиодыоптическойнакачки; 6 — оптическаясистеманакачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модуляторсвета; 10 — фокусирующаяоптическаясистема

13. Волоконные лазеры а) б) Формапучкаразныхлазерныхисточников: а — волоконныелазеры, одномодовыйрежим; б — Nd:YAG-лазеры, многомодовыйрежим; в — излучениелазерныхдиодов