L_20_2
advertisement
Твердотельные лазеры Активная среда - либо диэлектрический кристалл, либо стекло Концентрация частиц увеличивается на несколько порядков по сравнению с газом, что приводит к большим величинам коэффициента усиления и, как следствие, к большим выходным мощностям излучения твердотельных лазеров Свойства твердотельных лазеров Активными центрами являются ионы переходных металлов, внедренные в кристаллическую матрицу в виде примесей Переходы запрещены в приближении электрического диполя, и времена жизни верхних лазерных уровней составляют единицы и десятки миллисекунд Влияние кристаллического поля решетки кристалла на энергетические состояния примесных ионов достаточно слабое Процессы безызлучательной релаксации проявляются слабо Твердотельные лазеры Рубиновый лазер Активная среда - диэлектрический кристалл Al2O3 (корунд), в котором 0.05% ионов Al3+ замещены на ионы Cr3+ Для лазеров кристаллы специально выращиваются Ион хрома имеет широкие полосы поглощения в фиолетовой и зеленой спектральных областях Накачка и генерация в рубиновом лазере осуществляется на переходах между энергетическими состояниями ионов хрома, находящихся в электрическом поле кристаллической решетки корунда Состояния 4F1 и 4F2 вследствие эффекта Штарка расщеплены на ряд близкорасположенных уровней, давая широкие полосы поглощения в зеленой и фиолетовой спектральных областях с центрами на длинах волн 0.55 мкм и 0.42 мкм Твердотельные лазеры: рубиновый лазер 4F 1 4F 2 2A E l1= 694.3 нм l2= 692.8 нм 4A 2 Схема энергетических состояний иона хрома в Al2O3 Твердотельные лазеры: рубиновый лазер Из состояний 4F1 или 4F2, электрон быстро за времена порядка пс безызлучательно релаксирует в состояния 2Aи E Расстояния между уровнями 2A и E составляет 29 см-1, переходы из них в основное состояние запрещены в приближении электрического диполя Схема накачки - трехуровневая Две длины волны генерации - 692.8 нм и 694.3 нм Накачка - оптическая Источники накачки - импульсные ксеноновые или ртутные лампы Активная среда - цилиндрический рубиновый стержень диаметром 2-3 см и длиной от 5 см до 30 см Твердотельные лазеры: рубиновый лазер Системы оптической накачки Отражатель Лампа Стержень Отражатель Лампа Стержень Лампа Стержень Лампы Твердотельные лазеры: рубиновый лазер Оптимальная концентрация ионов хрома в рубине увеличение концентрации ионов хрома приводит к увеличению интенсивности тушения люминесценции из-за различий радиусов хрома и алюминия рост концентрации ионов хрома приводит к увеличению внутренних механических напряжений в кристалле Ширина линий усиления составляет порядка 10 см-1 однородное уширение обусловлено взаимодействием ионов хрома с фононами кристаллической решетки неоднородное уширение возникает из-за пространственной неоднородности внутрикристаллического электрического поля Режимы генерации импульсный импульсно-периодический с водяным охлаждением непрерывный (накачка – ртутные лампы высокого давления) Твердотельные лазеры: рубиновый лазер Режимы генерации свободная генерация - длительность одиночного импульса порядка 1 мс модуляция добротности синхронизация мод - выходная мощность импульса излучения может достигать гигаватт при длительности импульса порядка 10 пс Неодимовый лазер Генерация осуществляется на переходах трехвалентного иона неодима, легированного в матрицу аморфные структуры – фосфатные или силикатные стекла диэлектрический кристалл Y3Al5O12 (иттрий алюминиевый гранат или сокращенно YAG), в котором часть ионов Al3+ (1.5%) замещены на ионы Nd3+ Твердотельные лазеры: неодимовый лазер 4F 3/2 4I 4I 15/2 4I 13/2 4I 11/2 9/2 Схема энергетических состояний иона неодима Твердотельные лазеры: неодимовый лазер Схема накачки - четырехуровневая Оптическая накачка возбуждает широкие полосы, обусловленные большим количеством близко расположенных перекрывающихся уровней с центрами на длинаъ волн 0.73 мкм и 0.8 мкм Далее электроны за доли микросекунд безызлучательно релаксируют в метастабильное состояние 4F3/2 Лазерная генерация возникает на длине волны 1.064 мкм на переходе 4F →4I 3/2 11/2 С нижнего лазерного уровня электрон быстро безызлучательно релаксирует в основное состояние В Nd:YAG лазере линия уширена однородно с шириной 6.5 см-1 В лазере на стекле линия уширена неоднородно с шириной порядка 200 см-1 Твердотельные лазеры: неодимовый лазер Режимы генерации свободная генерация Источники накачки ксеноновые лампы криптновые лампы модуляция добротности синхронизация мод (ГВт при длительностях 10 пс) Режимы генерации импульсный импульсно-периодический (мощность может достигать сотен ватт) непрерывный (мощность может достигать сотен ватт) В лазере на стекле в режиме синхронизации мод можно получить длительности импульсов в несколько раз меньше по сравнению с лазером на гранате, что обусловлено более широкой линией усиления
