Раздел 4 Классификация технологических лазеров лекция 11
В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Наиболее широкое промышленное применение получили в основном два класса технологических лазеров: твердотельные лазеры с оптической накачкой и газоразрядные СО2-лазеры.
Рассмотрим кратко особенности конструкции и работы некоторых основных типов лазеров.
4.1 Твердотельные лазеры
В активной среде твердотельного лазера инверсная населенность создается в активных ионах примесей, которые специально вводят в твердотельную матрицу. В качестве таких ионов используют ионы переходных металлов (хром, марганец, никель, кобальт) или редкоземельных элементов.
Рабочий активный элемент технологического лазера должен удовлетворят ряду требований: он должен отличаться высокой теплопроводностью, обеспечивать большой коэффициент усиления, быть оптически однородным, механически прочным, термостойким, прозрачным для излучения накачки, а также допускать механическую обработку.
4.1.1 Лазер на рубине
Рубиновый лазер был первым квантовым генератором света (создан Мейманом в 1960 г.). Рабочим веществом является рубин – кристалл оксида алюминия А12О3 (корунд), в котором небольшая часть ионов алюминия (≈ 0,05%) при выращивании замещена ионами хрома Сг+3. Сам корунд в видимой области прозрачен, и основную роль в работе лазера играют ионы хрома.
Для лазеров монокристаллы рубина выращивают искусственно. Смесь А12О3 и Сг2О3 в виде пудры сыплется сверху на выращиваемый кристалл рубина, верхняя кромка которого находится в кислородно-водородном пламени горелки с температурой 2050 °С, достаточной для плавления рубина. При медленном опускании кристалла расплавленный слой смеси выходит из пламени и кристаллизуется. Таким путем удается получать монокристаллы рубина в виде стержней длиной до 0,5 м и диаметром до 5 см.
Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме. Энергетические уровни рубина показаны на рис. 4.1. Вследствие замещения части ионов А1+3 ионами Сг+3 в решетке А12О3, в кристалле возникают две полосы поглощения: одна – в зеленой, другая – в голубой части спектра.
Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг+3: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг+3 достигает 1%.
Н
Рисунок 4.1 – Схема энергетических
уровней рубина
При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается (с этим связана розовая окраска рубина). В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки белого света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Длительность импульса около 1 мс. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Излучение лампы поглощается ионами Сг+3, переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сг+3 очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е1 и (рис.4.1). При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки. Время жизни ионов хрома в возбужденных состояниях Е1, составляет несколько миллисекунд, что на несколько порядков величины превышает типичные времена жизни возбужденных состояний (10-7 – 10-8 с). Возбужденные уровни со столь большим временем жизни называют метастабильными. В процессе импульса накачки на уровнях Е1 и накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е0.
Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина стержня L = 5 – 20 см, диаметр d = 0,5 – l см.
Д
Рисунок 4.2 –
Рубиновый стержень со спиральной
лампой-вспышкой
Рисунок 4.3 –
Схема накачки рубинового лазера
линейной лампой:
1 – активный элемент, 2- лампа-вспышка,
3 - эллиптический отражатель, 4- лазерное
излучение
Типичный режим работы рубинового лазера – импульсный с длительностью импульса генерации ~ 1 мс. При энергии в импульсе несколько джоулей мощность излучения достигает десятков киловатт. При накачке ртутными лампами высокого давления рубиновые лазеры могут работать в непрерывном режиме