23: Лазер на итрий-алюминиевом гранате (иаг). Структура энергетических уровней и генерационные характеристики.

Химическая формула ИАГ: : . Этот лазер работает па четырехуровневой схеме. Первый уровень, называемый основным, соответствует min возможному значению энергии, которую могут иметь ионы.

Число ионов, имеющих min энергию, составляет большинство. Число ионов, находящихся на более высоких уровнях энергии, заметно меньше и оно подчиняется равновесному распределению Больцмана. В лазерах на гранате с неодимом нижние рабочие уровни заселены слабо, и поэтому основная доля мощности накачки расходуется не на создание инверсной населенности (), 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 (), 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. Состояние среды, когда N3>N2, называется инверсией населенности энергетических уровней. Иттрий-алюминиевый гранат с примесью неодима является уникальным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью, большой твёрдостью и удовлетворительными оптическими свойствами. Подходящ для генерации в режиме синхронизации мод. Большое время жизни верхнего лазерного уровня (t = 0,23 мс) позволяет ИАГ быть весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности. ИАГ-лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В обоих случаях обычно используются линейные лампы в схемах с одноэллипсным осветителем, с близким расположением лампы и кристалла или с многоэллипсным осветителем. Для работы в импульсном и непрерывном режимах применяются соответственно ксеноновые лампы среднего давления (500— 1500 мм рт. ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4— 6 атм). Размеры стержней обычно такие же, как и у рубинового лазера. Выходные параметры ИАГ -лазера оказываются следующими: в непрерывном многомодовом режиме выходная мощность до 200 Вт; в импульсном лазере с большой скоростью повторения импульсов (50 Гц) средняя выходная мощность порядка 500 Вт; в режиме модулированной добротности максимальная выходная мощность до 50 МВт; в режиме синхронизации мод длительность импульса до 20 пс. Как в импульсном, так и в непрерывном режиме дифференциальный КПД составляет около 1—3%.

24. Полупроводниковые лазеры. Принцип действия, типы полупроводниковых лазеров. Спектральные и генерационные характеристики.

Полупроводниковые лазеры (ППЛ) испускают излучение в диапазоне длин волн 0,32-32 мкм. В качестве активной среды применяют полупроводниковые кристаллы. В них используются оптические переходы с участием свободных носителей тока в кристаллах, т.е. с участием состояний в электронных зонах.

Полупроводниковые лазеры обладают следующими особенностями:

-очень малыми размерами излучающей области,

-весьма высоким КПД (50-60%),

-малыми мощностями.

В сравнении с твердотельными и газовыми полупроводниковые лазеры обладают:

-меньшей когерентностью,

-направленностью (1-6°) и

-монохроматичностью луча (примерно 5 нм).

По способу накачки лазеры полупроводниковые делятся на:

-инжекционные,

-с накачкой пробоем в электрическом поле,

-с накачкой пучком быстрых электронов,

-с оптической накачкой

Работают полупроводниковые лазеры преимущественно в импульсном режиме и при низких температурах, что вызвано необходимостью обеспечить теплоотвод, а также и тем, что при понижении температуры генерация возникает при меньших плотностях тока. В качестве активной среды наиболее широко применяют арсенид галлия с p-n-переходом, генерирующим излучение с длиной волны равной 0,84 мкм, и сплав арсенида и фосфида галлия. Возбуждение p-n-перехода осуществляют путем инжекции электронов.

По своим качествам, структуре и принципам работы полупроводниковые лазеры отличаются от других лазеров. Энергетические уровни, относящиеся к лазерному переходу, определяются всей кристаллической решеткой. Эти состояния не являются дискретными, а слиты в энергетические зоны, представляющие собой группы энергетических состояний, расположенные очень тесно. Для лазера представляют интерес две энергетические зоны: валентная и проводимости.

Валентная зона является наиболее высоким состоянием, заполненным электронами. Зона проводимости лежит выше и отделена областью энергии, называемой запрещенной зоной, в которой нет никаких электронных состояний. При поглощении энергии электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне остаются дырки. Аналогично электрон может перейти из зоны проводимости и рекомбинировать с дыркой в валентной зоне. При рекомбинации разность энергии испускается в виде излучения. Электроны инжектируются со стороны n-типа и рекомбинируют в области перехода. В результате этого возникает ток. Такие лазеры называются инжекционными. При прохождении тока должно создаваться достаточное количество дырок и электронов, так чтобы излучение, генерируемое при их рекомбинации, превышало потери, которые связаны с дифракционным выходом света из активной области, пропусканием света на границе перехода и поглощением света свободными носителями в области перехода. Поэтому существует пороговое значение плотности тока, необходимое для работы лазера.

Полупроводниковые лазеры не обладают малой расходимостью пучка, так как их излучение испускается через апертуру, ограниченную малой шириной перехода. Дифракция на узкой полосе перехода приводит к выходу излучения в более широком угле, чем для лазеров других типов. Поэтому излучение, например, лазера на арсениде галлия имеет вид луча эллиптического сечения с углом рассеяния на уровне 0.5, равным нескольким градусам в направлении, параллельном переходу, и большими размерами в направлении, перпендикулярном переходу.