Реферат: Лазеры на АИГ с непрерывной накачкой

В лазере, как и во всяком генераторе электромагнитных волн, основой является активный элемент, преобразующий энергию внешнего источника питания в нужное излучение. В нашем случае таким элементом является кристалл алюмоиттриевого граната с добавкой трехвалентного иона неодима Y3Al5O12-Nd 3+. Этот ион является самым распространенным активатором лазерных кристаллов. Он обладает способностью к генерации почти в 80 средах. Однако из этого многообразия сред широкое практическое применение нашли лишь стекла нескольких марок и несколько типов кристаллов, самым распространенным из которых является алюмоиттриевый гранат. Последнее обусловлено присущей кристаллам граната с неодимом (АИГ-Nd) совокупности полезных свойств, которые будут рассмотрены ниже.

В последнее время в промышленном производстве стали появляться другие типы кристаллов. Это прежде всего алюминат иттрия, калий гадолиниевый, вольфрамат, галлий скандий гадолиниевый гранат и т. д. Каждый из них имеет то или иное преимущество по сравнению с кристаллами АИГ, что позволяет ставить вопрос о возможной замене АИГ-кристаллов в тех или иных конкретных случаях новыми кристаллами. Однако во многих своих применениях кристаллы АИГ пока остаются вне конкуренции, особенно в мощных лазерных установках.

Впервые искусственный кристалл АИГ-Nd как лазерный элемент был создан в 1964г. С тех пор было разработано несколько методов выращивания кристалла, наиболее совершенным из которых пока является метод Чохральского. Сущность этого метода заключается в том, что исходный материал кристалла сначала расплавляется в специальном тигле и последующая кристаллизация осуществляется путем выведения части расплава из тигля с помощью затравки. Температура затравки несколько ниже температуры расплава, и при вытягивании расплав постепенно кристаллизуется на поверхности затравки. Кристаллографическая ориентировка закристаллизовавшегося расплава воспроизводит ориентировку затравки. В процессе выращивания кристалла температура расплава поддерживается на уровне 1980° С . Столь высокие температуры требуют применения стойкого материала для тигля. Применительно к кристаллам АИГ-Nd наилучшим является металл иридий. Высокая цена и большой дефицит иридия являются существенными недостатками для выращивания кристалла АИГ-Nd.

Выращивание кристалла осуществляется в инертной среде (в атмосфере аргона или азота) при нормальном атмосферном давлении с малой (1—2% по объему) добавкой кислорода. Оптимальная скорость роста с точки зрения совершенства оптических свойств кристалла составляет 0,5 мм/ч, что также является недостатком технологии, так как для выращивания кристалла средних размеров (длиной около 15 см) требуется 300 ч (12,5 сут) непрерывной работы, ростовой установки. Метод Чохральского позволяет выращивать достаточно крупные кристаллы длиной до 20 см и диаметром до 4 см. В процессе роста в центральной части кристаллов возникают механические напряжения, приводящие к оптическим искажениям. Поэтому активные элементы вырезают из периферийных областей кристалла. Как правило, активные элементы вырезаются в форме тонких длинных цилиндров самых различных размеров. Ось активных элементов направлена вдоль оси кристалла-заготовки, т. е. фактически вдоль оси выращивания кристалла. В свою очередь ось выращивания кристалла, как отмечалось выше, задается ориентацией затравки. Следовательно, меняя ориентацию затравки, можно по желанию менять направление кристаллографических осей в активном элементе.

Принцип работы лазера. Инверсная населенность.

Рассматриваемый нами лазер на гранате с неодимом работает по так называемой четырехуровневой схеме. Ионы неодима, расположенные внутри кристалла граната, имеют систему энергетических уровней, схематически изображенную на рис.1. Первый уровень, называемый основным, соответствует минимально возможному значению энергии, которую могут иметь ионы. Число ионов, имеющих минимальную энергию (находящихся на основном уровне), составляет большинство. Число ионов, находящихся на более высоких уровнях энергии, заметно меньше и оно подчиняется равновесному распределению Больцмана

где Npi — число ионов в единице объема, находящихся на уровне i; Wi — разность между энергией уровня i и энергией основного уровня; k=1,38∙10-23 Дж/к—постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура кристалла. Обычно энергию основного уровня считают условно нулевой, тогда Wi будет просто энергией i-ro уровня. Значение kT для комнатной температуры (Г=300 К) равно 4,14∙10-21 Дж ≈207 см-1. Поэтому, если Wi>kT (что выполняется для кристаллов АИГ-Nd), населенность уровней 2—4 оказывается действительно малой по сравнений с Npi Причем чем выше уровень, тем меньше на нем находится ионов неодима. Уровень 3 является метастабильным, т. е. время нахождения ионов неодима на нем существенно больше, чем на уровнях 2 и 4.

Рис.1. Схема переходов между уровнями энергии ионов неодима

Рис.2. Прохождение света через лазерный кристалл: а — в термальном состоянии (N3<N2) б — в накаченном (возбужденном) состоянии (N3>N2)

Предположим, что внутри кристалла распространяется свет с частотой, равной частоте перехода между рабочими уровнями 2 и 3, т. е. (ω=W3+W2/ћ). Он вызывает два процессора: вынужденного излучения ионов неодима, находящихся на уровне 3, и при этом к волне добавляется энергия излучения (усиление света), и процесс поглощения энергии волны ионами, находящимися на уровне 2 (рис. 2). В нормальном состоянии число ионов на уровне 2 больше, чем на уровне 3, и поглощение волны превалирует над усилением, т. е. свет ослабляется (рис.2,а). Если кристалл облучается светом накачки, то под его воздействием ионы неодима сначала переходят на уровни (полосы) накачки 4, а затем быстро на метастабильный уровень 3, где задерживаются. При достаточной мощности накачки скорость поступления ионов на метастабильный уровень превысит скорость ухода их с этого уровня за счет спонтанных переходов. В этом случае будет происходить накопление ионов на метастабильном уровне и через какое-то время число N3 превысит N2, т. е. в целом свет усилится.

Состояние среды, когда N3>N2, называется инверсией населенности энергетических уровней. В таком состоянии среда уже способна к генерации света. Для этого ее помещают в резонатор, который в простейшем случае образован двумя параллельными зеркалами, одно из которых полностью отражает свет, а другое частично отражает и пропускает его наружу (рис. 3). В этом случае усиление света в кристалле будет превосходить поглощение.

Рис.З. Схема усиления света в лазере (p1, р2 — коэффициенты отражения зеркал резонатора)

Началом генерации является спонтанное излучение ионов с метастабильного уровня, которое усиливается, проходя активную среду, и затем с помощью зеркал вновь в нее возвращается, снова усиливается и т. д. Если усиление света превосходит его суммарное ослабление за счет поглощения в среде и потерь на частичное пропускание выходного зеркала, то возникает генерация и лазер начинает излучать наружу свет. Очевидно, что мощность излучаемого света тем выше, чем выше мощность света накачки и чем меньше потери света внутри резонатора. Существует так называемая пороговая мощность накачки, при которой усиление света сравнивается с суммарными потерями, и при малейшем увеличении этой мощности может возникнуть генерация. Необходимо напомнить, что для того, чтобы усиление света всегда превосходило потери, нижний рабочий уровень 2 должен быстро опустошаться, т. е. его время жизни должно быть гораздо меньше, чем время жизни метастабильного уровня. В противном случае начнется накопление ионов неодима на уровне 2 и возрастет поглощение света с этого уровня наверх. Кроме того, время жизни ионов на уровнях накачки также должно быть малым. В противном случае ионы начнут накапливаться на уровнях накачки и инверсия населенности среды (а значит, и коэффициент усиления света) —начнет падать.

Как уже отмечалось, в лазерах на гранате с неодимом нижние рабочие уровни заселены слабо, и поэтому основная доля мощности накачки расходуется не на создание инверсной населенности (N3>N2), а на преодоление потерь в резонаторе и на полезное выходное излучение. При этом для возникновения генерации достаточно перевести на уровень 3 лишь малую часть ионов, находящихся на основном уровне. Это выгодно отличает этот вид лазеров от лазеров, работающих по трехуровневой схеме. В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень, и для создания инверсной населенности (N3>N2) требуется перевести на метастабильный уровень 2 не менее половины ионов с основного уровня, а с учетом потерь в резонаторе и полезного излучения больше половины. Поэтому в трехуровневых лазерах (например, на рубине) мощность накачки расходуется непроизводительно и их КПД оказывается существенно ниже.

Спектрально-люминесцентные свойства элементов АИГ-Nd

Спектрально-люминесцентные свойства элементов АИГ-Nd определяются свойствами самой матрицы, т. е. чистого, нелегированного кристалла АИГ, а также характеристиками ионов неодима, введенных в матрицу. Матрица оказывает заметное воздействие на спектральные свойства изолированного иона неодима: на положение, интенсивность и ширину спектральных линий, квантовый выход люминесценции и т. п. Обратное воздействие ионов на матрицу, как правило, невелико из-за относительно малой концентрации примесных ионов в матрице. Поэтому в целом можно сказать, что характеристики элементов АИГ-Nd определяются свойствами матрицы плюс претерпевшими определенные изменения свойствами ионов неодима.

Металл неодим является редкоземельным металлом и относится к группе лантаноидов. Оптические лазерные свойства ионов неодима определяются электронными переходами внутри подоболочки 4f четвертой электронной оболочки N атома неодима (рис. 4). Эта подоболочка в заметной степени экранирована от воздействия внешних электрических полей, в частности внутри-кристаллического поля, электронами внешних подоболочек 5s и 5p оболочек О и Р. Поэтому структура энергетических уровней электронов 4f подоболочки, а значит, и структура оптических лазерных переходов ионов неодима не очень зависят от типа матрицы. Воздействие матрицы проявляется в некотором (так называемом Штарковском) смещении и расщеплении исходных уровней изолированного иона за счет воздействия кристаллического поля матрицы и в уширении уровней за счет воздействия колебаний кристаллический решетки — фононов.

Рис 4. Структура электронных оболочек атома неодима: а — укрупненная структура оболочек; б — тонкая структура четвертой оболочки N (рядом с индексам оболочки указано количество электронов в ней)

Рис. 5. Упрощенная схема энергетических уровней кристалла АИГ-Nd.

На рис. 5 представлена упрощенная схема энергетических уровней АИГ-Nd. Эти уровни обусловлены переходами трех 4f электронов внутренней оболочки иона Nd3+. Поскольку эти электроны экранируются восемью внешними электронами (5s2 и 5р6), на упомянутые энергетические уровни кристаллическое поле влияет лишь в незначительной степени. Поэтому спектральные линии, соответствующие рассматриваемым переходам, относительно узки. Уровни энергии обозначаются в соответствии с приближением LS-связи атомной физики, а символ, характеризующий каждый уровень, имеет вид 2s+lLj, где S — суммарное спиновое квантовое число, j — суммарное квантовое число углового момента, a L — орбитальное квантовое число. Заметим, что разрешенные значения L, а именно L = = О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ... обозначаются прописными буквами соответственно S, P, D, F, G, Н, I Таким образом, основное состояние 4I9/2 иона Nd3+ соответствует состоянию, при котором 2S + 1 = 4 (т. е. S = 3/2), L = 6 и J = L — S = 9/2. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм соответственно, хотя другие более высоко лежащие полосы поглощения также играют важную роль. Эти полосы связаны быстрой (~ 10-7 с) безызлучательной релаксацией с уровнем 4F3/2, откуда идет релаксация на нижние уровни (а именно 4I9/2, 4I11/2 и 4I13/2), этот последний уровень не показан на рис.5. Однако скорость релаксации намного меньше (τ≈0,23 мс), поскольку переход запрещен в приближении электродипольного взаимодействия (правило отбора для электродипольно разрешенных переходов имеет вид ΔJ=0 или ±1) и поскольку безызлучательиая релаксация идет медленно вследствие большого энергетического зазора между уровнем 4F3/2 и ближайшим к нему нижним уровнем. Это означает, что уровень 4F3/2 запасет большую долю энергии накачки и поэтому хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Оказывается, что из различных возможных переходов с уровня 4F3/2 на нижележащие уровни наиболее интенсивным является переход 4F3/2 → I11/2 Кроме того, уровень 4I11/2 связан быстрой (порядка наносекунд) безызлучательной релаксацией в основное состояние 4I9/2, а разница между энергиями уровней 4I9/2, и 4I11/2 почти на порядок величины больше, чем kT. Отсюда следует, что тепловое равновесие между этими двумя уровнями устанавливается очень быстро и согласно статистике Больцмана уровень 4I11/2 в хорошем приближении можно считать практически пустым. Таким образом, этот уровень может быть прекрасным кандидатом на роль нижнего лазерного уровня.

Из сказанного выше ясно, что в кристалле АИГ-Nd переход 4F3/2 → 4I11/2 хорошо подходит для получения лазерной генерации в четырехуровневой схеме. В действительности необходимо принимать во внимание следующее: Уровень 4F3/2 расщеплен электрическим полем внутри кристалла (эффект Штарка) на два сильно связанных подуровня (R1 и R2), разделенных энергетическим зазором ΔЕ ≈ 88 см-1. Уровень 4I11/2 также расщеплен вследствие эффекта Штарка на шесть подуровней. Оказывается, что лазерная генерация обычно происходит с подуровня R1 уровня 4F3/2 на определенный подуровень уровня 4I11/2, поскольку этот переход обладает наибольшим значением сечения перехода (σ = 8,8∙10-19 см2). Этот переход имеет длину волны λ=1,064мкм (ближний ИК диапазон). Однако, поскольку подуровни R1 и R2 сильно связаны, при всех вычислениях используют эффективное сечение σ21 = z21σ = 3,5∙10-19 см2, где z21= ехр(-ΔE/kT) / [ 1 + ехр (-ΔE/kT)] =0,4 — функция распределения для подуровня R2. Следует также заметить, что, используя в резонаторе лазера подходящую дисперсионную систему, генерацию можно получить на многих других длинах волн, соответствующих различным переходам: 4F3/2 → 4I11/2 (λ = 1,05—1,1 мкм), 4F3/2 → 4I13/2 (λ=1,319 мкм—наиболее интенсивная линия в этом случае) и переходу 4F3/2 → 4I9/2 (λ около 0,95 мкм). Кроме того, стоит вспомнить, что лазерный переход с λ = 1,06 мкм при комнатной температуре однородно уширен вследствие взаимодействия с фононами решетки. Соответствующая ширина Δv = 6,5 см-1 = 195 ГГц при температуре Т = 300 К- Это делает АИГ-Nd очень подходящим для генерации в режиме синхронизации мод. Большое время жизни верхнего лазерного уровня (т = 0,23 мс) позволяет АИГ-Nd быть весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности.

Конструкция АИГ-Nd ЛАЗЕРОВ

Среди многообразия лазеров с непрерывной накачкой широкое применение нашли три вида: одномодовые лазеры с модуляцией добротности, лазеры с 'преобразованием частоты и мощные лазеры непрерывного режима.

Одномодовые лазеры с модуляцией добротности. Лазеры серии ЛТИ-500 генерируют моду ТВМоо наинизшего порядка. В случае непрерывной накачки импульсный режим работ с большой частотой -повторения (5—50 кГц) обеспечивается модуляцией добротности резонатора акустооптическим затвором. При выключенном затворе лазеры работают в непрерывном режиме. Зависимость мощности излучения от мощности накачки для лазера ЛТИ-502 приведена на рис. 6. Зависимости средней мощности излучения Рw, длительности импульса излучения τ и пиковой мощности от частоты -повторения импульсов для лазеров с модуляцией добротности резонатора имеют вид, 'представленный на рис. 7. При больших частотах повторения значение средней мощности: асимптотически стремится к уровню мощности в непрерывном режиме генерации. С уменьшением частоты повторения средняя мощность падает и при низких частотах линейно стремится к нулю, поскольку накопленная инверсия в промежутках между импульсами генерации расходуется на люминесценцию

Рис. 6 Зависимость мощности излучения лазера ЛТИ-502 от мощности накачки

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--