3. Экспериментальная часть

0. Принцип работы импульсно-периодического твердотельного лазера с импульсной ламповой накачкой

В твердотельных лазерах активные центры создают ионы примеси в кристаллической решетке твердого тела (стекла, керамики). В используемом в данной работе YAG-Nd³⁺лазере ионы неодима внедрены в кристалл иттрий алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂. Оптическая накачка YAG-Nd³⁺лазера осуществляется с помощью трубчатых дуговых ламп или линейками (матрицами) лазерных диодов в диапазоне 0,6 – 0,9 мкм.

В нашем случае в качестве источника накачки используется дуговая лампа импульсного действия, наполненная Xe. Спектр поглощения активной среды YAG-Nd³⁺лазера представлен на рис. 4 сплошной линией.

Наиболее мощная полоса поглощения находится вблизи 808 нм. Именно на этой длине волны идет наиболее эффективная накачка данной активной среды диодными лазерами с длиной волны излучения равной 808 нм.

На рис. 5 для сравнения представлены спектры излучения типичных Xe-ламп, которые оказываются неплохо согласованными с линиями поглощения ионов неодима, внедренными в матрицу иттрий алюминиевого граната.

Рис. 4. Спектр поглощения кристалла YAG-Nd³⁺ при температуре 300 К.

Рис. 5. Спектры излучения ксеноновых ламп накачки:

а — ИСП-2500 (Р₀=800 тор; Р_у = 10 Вт/см; Е_н =15 Дж; τ_н =150 мкс);

б — ИСП-600 (Р₀=450 тор; P_y=2,5 Вт/см; Е_н =11 Дж; τ_н =100 мкс)

Создание инверсной населенности идет по четырех уровневой схеме, так как это показано на рис.6.

Накачка происходит с основного уровня 1 на группу уровней накачки 4, которые являются короткоживущими из-за близкого расположения к ним уровня 3 (время жизни уровней накачки не превышает 10^-8 с). За счет процессов безизлучательной релаксации на фононах (колебаниях кристаллической решетки) возбужденные атомы Nd переходят на уровень 3, состоящий из двух подуровней, которые являются верхними лазерными уровнями в данной активной среде. Эти уровни являются метастабильными, так как ближайший к нему нижний уровень находится на расстоянии 4698 см^-1, а энергия фононов при комнатной температуре не превышает 200 см^-1. Поэтому время безизлучательных многофононных переходов очень велико (~10^-2 с) из-за малой вероятности таких переходов (вероятность одновременного столкновения многих частиц чрезвычайно мала!).

Рис. 6. Схема энергетических уровней иона неодима в кристаллической решетке иттрий алюминиевого граната, участвующих в процессах накачки и генерации.

Время излучательного перехода на группу близко расположенных уровней 2 также оказалось достаточно большим (2,5^.10^-4 с), поэтому можно эффективно накапливать инверсную населенность между уровнями 3 и 2 за счет достаточно быстрой оптической накачки на переходе 1  4. Группа уровней 2 расположена достаточно близко к основному уровню 1 (~800 см^-1) и за счет быстрой безизлучательной релаксации ионы неодима, поучаствовавшие в процессе генерации, возвращаются на основной уровень 1 (время перехода 21 не превышает 10^-8 с). Далее цикл накачка 14, релаксация 43, генерация 32, релаксация 21 повторяется.

3.2. Оптическая схема YAG-Nd³⁺ лазера и конструкция излучателя с импульсной ламповой накачкой.

Имеется две основных оптических схемы технологических твердотельных лазеров с одним и двумя излучателями (квантронами).

В технологии точечной шовной лазерной сварки требуется высокая импульсная мощность генерации, поэтому в этом случае используется одноквантронная оптическая схема. На рис. 7 представлена типовая оптическая схема одноквантронного излучателя, используемого в установках точечной шовной лазерной сварки.

Рис. 7. Оптическая схема импульсного твердотельного лазера

1 – выходное зеркало, 2 – излучатель, 2.1 – активный элемент, 2.2 – Xe-лампа накачки (ИСП 6/90), 3 – «глухое» зеркало, ОО`- ось резонаора.

Излучатель 2 состоит из четырех основных элементов: корпуса, кварцевого отражателя, стержня из иттрий алюминиевого граната активированного ионами неодима и импульсной лампы накачки. Внешний вид всех элементов излучателя представлен на рис. 8

а) б)

в) г)

Рис. 8. Основные элементы излучателя твердотельного лазера

а) корпус, б) отражатель, в) активный элемент, г) лампа накачки

0. 3.3 Описание составных частей ЛТК ИПТТЛ-50

а) Описание лазерной системы

Лазер «БУРАН», входящий в состав ЛТК ИПТТЛ-50, представляет собой частотно-импульсный твердотельный Nd³⁺-YAG лазер, генерирующий периодически повторяющиеся серии импульсов излучения микросекундной длительности. Лазер может применяться для решения задач обработки материалов, лазерной сварки и в научных исследованиях.

Конструктивно лазер выполнен в виде излучателя, блока питания импульсной лампы накачки и блока охлаждения. Блоки питания и охлаждения смонтированы в стойку питания и охлаждения (СПО).