- •Содержание
- •VI. Лазерные стандарты длины и частоты
- •Yi. Автомодуляция излучения в резонаторе лазера на твердом теле
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •Краткая история создания лазеров Цезиевый атомно-лучевой квантовый стандарт частоты
- •Принцип работы лазера
- •Лазер, как автоколебательная система
- •I. Взаимодействие света с веществом
- •1.1. Спектр излучения
- •1.2. Тепловое излучение
- •1.3. Коэффициент поглощения
- •1.5. Люминесценция
- •1.7. Сверхизлучение
- •1.8. Энергетические характеристики электромагнитного поля
- •Объемная плотность энергии в пучке
- •1.9. Оценки частоты Раби и мощности излучения, необходимой для проявления когерентрных эффектов взаимодействия поля с веществом
- •2.1. Газоразрядные лампы для оптической накачки лазеров
- •2.2. Многослойные диэлектрические зеркала
- •2.3. Лазеры на активированных кристаллах
- •2.4. Система оптической накачки лазеров на твердой активной среде
- •2.5. Неодимовый лазер
- •III. Лазерные резонаторы
- •3.1. Лазерные пучки
- •3. 3. Гауссовы пучки света
- •3.4. Фокусировка гауссова пучка линзой
- •3.5. Идеальный открытый оптический резонатор
- •Iy. Лазерная генерация
- •4.1. Вероятности переходов
- •4.2. Схемы накачки активной среды лазеров
- •4.4. Энергетическое условие стационарной генерации
- •4.5. Расчет коэффициента усиления активной среды для твердотельных лазеров с импульсной оптической накачкой
- •4.6. Пороговая энергия накачки лазера с импульсной накачкой
- •4.7. Определение коэффициента усиления и скорости накачки по
- •4.8. Фазовое условие генерации
- •4.9. Селекция мод лазерного резонатора
- •4.10. Принцип конкуренции мод
- •4.11. Принцип максимальной ширины спектра излучения лазера
- •4.12. Перестройка частоты излучения одночастотного лазера путем микроперемещения лазерного зеркала
- •4.13. Лазеры со стабилизацией частоты излучения
- •4.14. Оптическое гетеродинирование
- •4.15. Лазерные стандарты длины и частоты. Измерение частоты и длины волны лазерного излучения
- •4.16. Многочастотный спектр излучения лазера
- •4.17. Мощность стационарной генерации лазера
- •5.2. Моноимпульсная генерация
- •5.3. Пассивная модуляция добротности резонатора
- •5.4. Измерение энергии и мощности лазерных импульсов
- •5.5. Регистрация формы лазерных импульсов электронно-оптической камерой
- •Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе
- •6.2. Измерения мощности лазерного излучения в широком динамическом диапазоне
- •6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором
- •6.4. Механизмы автомодуляции потерь лазерного резонатора
- •6.4.1. Самонаведенная линзовость в активной среде лазера
- •6.4.2. Автомодуляция излучения лазера самонаведенной амплитудно-фазовой решеткой
- •6.4.3. Автомодуляция излучения в сложном резонаторе
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •7.1. Первые исследования сверхкоротких лазерных импульсов
- •7.2. Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона
- •7.3. Автокорреляционная функция лазерного импульса
- •7.4. Описание излучения на выходе лазера как суперпозиции эквидистантных монохроматических плоских волн
- •7.5. Модулированные оптические волны
- •7.6. Сверхкороткие импульсы, генерируемые двухчастотным лазером с постоянной накачкой
- •Зависимость интенсивности излучения от времени можно записать следующим образом:
- •7.7. Пульсации излучения непрерывного двухчастотного гелий-неонового лазера
- •7.8. Регулярные пульсации излучения гелий неонового лазера, в спектре которого регистрируются 7 дискретных частот
- •7.9. Современные лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •Зависимость спектра импульсного лазерного излучения от времени
- •8.2. Квазимонохроматическое приближение
- •8.3. Импульс гауссовой формы в среде с дисперсией
- •8.4. Фазовая модуляция — уширение и сжатие импульсов с линейным чирпом
- •8.5. Фемтосекундные лазерные системы
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •9.1. О некоторых заблуждениях в области корреляционных измерений длительности ультракоротких лазерных импульсов
- •9.3. Измерение акф для периодической последовательности импульсов
- •9.4. Влияние линейной фазовой модуляции несущей частоты на корреляционные функции излучения
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •10.1. Оптические свойства полупроводников
- •10.2. Cвойства p-n переходов
- •10.3. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах
- •11.1. Накачка газовых активных сред
- •11.2.2. Химическая накачка
- •11.2.3. Лазеры с газодинамической накачкой
- •11.3. Лазеры на нейтральных атомах
- •11.3.1. Гелий-неоновый лазер
- •11.4. Молекулярные лазеры
- •11.5. Газовые лазеры на ионах аргона
- •11.4.1. Гелий-кадмиевый лазер
- •11.5. Эксимерные лазеры
- •Основные принципы, соотношения и константы физики лазеров
- •Тестовые задания
- •Раздел 1. Общие вопросы. Конструктивные элементы лазеров
- •Раздел 2. Взаимодействие излучения с веществом
- •Раздел 3. Лазерные резонаторы и световые пучки
- •Раздел 4. Лазерная генерация
- •Раздел 5. Динамика лазеров
2.3. Лазеры на активированных кристаллах
После создания рубинового лазера число лазеров на диэлектрических кристаллах разных типов стало быстро нарастать. В том же 1960 г. был создан лазер на кристаллическом CaF2, активированном ионами трехвалентного урана [1]. Этот лазер генерировал при гелиевых температурах в инфракрасном диапазоне вблизи 2,6 мкм. Затем, эти же авторы получили генерацию ионов самария Sm2+ в CaF2, который стал первым лазерным редкоземельным ионом. Люминесценция кристаллов, активированных редкоземельными ионами, обладает узкими спектральными линиями и, следовательно, долгоживущими возбужденными состояниями ионов. Поэтому кристаллы, активированные редкоземельными ионами, оказались наиболее перспективными активными средами в лазерах с оптической накачкой газоразрядными лампами.
Из редкоземельных ионов наилучшими свойствами обладает неодим. Первый лазер на кристаллах вольфрамата кальция, активированных ионами трехвалентного неодима, работал уже при комнатной температуре и обладал чрезвычайно низким порогом возбуждения по сравнению с рубином [2]. Это связано с тем, что неодимовый лазер работает по четырехуровневой схеме возбуждения.
Наиболее эффективным лазером, нашедшим самое широкое применение оказались лазеры на иттрий-алюминиевом гранате, активированном неодимом [3]. Лазеры на этих кристаллах могут работать с импульсной или непрерывной оптической накачкой и генерировать непрерывную мощность до киловатта.
Лазерная генерация получена более чем у 250 диэлектрических кристаллов и десятков стекол с примесью ионов переходных элементов. Однако, эффективно работающих лазерных сред, нашедших практические применения, немного. Это стекла и кристаллы граната, активированные неодимом, а также сапфир, активированный ионами хрома (рубин) и ионами титана (фемтосекундный лазер).
Таблица. Параметры наиболее эффективных кристаллических лазерных сред.
Лазерная среда |
Длины волн генерации (мкм) |
Сечение на частоте лазерного перехода σ (см2) |
Спонтанное время жизни лазерного перехода, τ |
Ширина спектраль- ного контура усиления, Δν |
Показатель преломления на частоте лазерной генерации, n |
Режим работы. Средняя или максимальная мощность излучения
|
Nd3+:YAG, Иттрий- алюминиевый гранат, активированный неодимом |
1,064 |
4ּ 10-19 |
1,2 мс |
120 ГГц |
1,82 |
Непрерывный До 1 кВт. Моноимпульсный ~20 МВт |
Er3+:SiO2, Кварцевое стекло, акти- вированное эрбием |
1,55 |
5ּ 10-21 |
10 мс |
4 ТГц |
1,46 |
Непрерывный 100 Вт |
Ti3+:Al2O3, Титан-сапфир |
0,66 – 1,18 |
3ּ 10-19 |
3 мкс |
100 ТГц |
1,76 |
Непрерывный 10 Вт |
Cr3+:Al2O3, рубин |
0,6943 |
2,3ּ10-20 |
3 мс |
11 ГГц |
1,76 |
Моноимпульсный. ~100 МВт |