Введение

1. Классификация лазеров:

• по типу активной среды:

• твердотельные;

• газовые;

• жидкостные;

• полупроводниковые;

• плазменные.

• по типу накачки:

виды накачки:

• оптическая;

• электрический разряд в газах;

• электроионизационная;

• тепловая (газодинамическая);

• химическая.

2. Твердотельные лазеры.

Твердотельные лазеры – это такие лазеры, которые используют кристаллический или аморфный диэлектрик.

Основные особенности твердотельных лазеров:

• высокая концентрация частиц: до 10¹⁹и даже до 10²¹см^-3;

• высокий удельный энергосъем;

• генерация при малых длинах;

• оптическая однородность (уступает газовым лазерам);

• ширина линии люминесценции (единицы А° –десятки А°),

• основной тип накачки – оптическая накачка.

Активная среда твердотельных лазеров:

Матрица (основа) + активатор (примесь).

Активатор обычно от долей до нескольких процентов по отношению к матрице.

Принцип действия твердотельных лазеров.

В 2-х уровневой системе оптической накачкой инверсию не создать.

На практике используют 3-х или 4-х уровневые системы.

В качестве уровня 3 в 3-х уровневой схеме, и уровня 4 в 4-х уровневой схеме могут использоваться несколько уровней.

Более низким порогом генерации обладает 4-х уровневая схема.

В качестве матрициспользуется широкий класс веществ, в частности, соли вольфрамовой, молибденовой и плавиковой кислот(H₂WO₄,H₂MoO₄,HF), корундAl₂O₃, иттриевые гранатыY₃Me₅O₁₂ (гдеMe–Al,Cu,Fe), напримерY₃Al₅O₁₂– ИАГ, стекла различных составов.

В качестве активатора– хром, кобальт, никель, титан, а также многие редкоземельные элементы.

Примеры эффективных лазерных сред:

Al₂O₃:Cr³⁺; Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺; CaF:Nd³⁺; стекло:Nd³⁺и т.д. (см. справочник).

Активные элементы твердотельных лазеров имеют различные формы:

Наиболее часто используется форма а).

Системы оптической накачки твердотельных лазеров.

Система оптической накачкипредназначена для создания инверсии в активных средах.

Используется как когерентная (лазерная) накачка, так и некогерентная (ламповая).

В случае некогерентной (ламповой) накачки, система оптической накачки состоит из источника оптического излучения (специальной лампы),осветителя (отражателя) иэлектрического блока питания, питающего источник оптического излучения.

Например, система оптической накачки может включать в себя следующие элементы:

1. повышающий транзистор;

2. выпрямитель;

3. емкость (емкостной накопитель);

4. лампа накачки;

5. осветитель;

6. система поджига импульсной лампы;

7. активный элемент.

Используются специальные импульсные лампы, а также лампы непрерывного свечения.

Энергия накачки не должна быть больше предельной энергии для лампы.

U_c<U_пр, гдеU_пр– напряжение самопробоя лампы.

С

истема поджига (6) управляет моментом начала накачки (разряда в лампе).

Лампы накачки чаще всего имеют форму цилиндра с электродами (рис. 4). Так как лампа излучает во все стороны, очень малая доля её излучения попадает на активный элемент (рис. 5). Поэтому необходим отражатель (осветитель), который бы направил по возможности большую долю излучения на активный элемент. Примерами таких осветителей являются эллиптический цилиндр (рис. 6) и круговой цилиндр (рис. 7), внутренние поверхности которых имеют высокие коэффициенты отражения.

В случае мощных лазеров требуется многоламповая накачка и элемент большого диаметра. На рис. 8 схематично показан примет такой системы, вдоль центральной оси которой расположен активный элемент (а.э.), а вдоль фокальных линий полуэллипсов – лампы накачки (л.н.):

Система накачки должна обеспечивать:

• высокую эффективность передачи излучения от лампы накачки к активному элементу;

• высокую однородность (равномерность) накачки в объеме активного элемента (как по длине, так и в поперечном сечении).

Неравномерность оптической накачки активного элемента (особенно в поперечном сечении), приводит к термооптическим искажениям вследствие неравномерности его нагрева, и сильно влияет на характеристики излучения лазеров (порог генерации, угловую расходимость, энергию излучения) и даже может приводить к срыву генерации. Термооптические искажения возникают из-за зависимости коэффициента преломления от теплопередачи и неравномерности ее в активном элементе.

Появление термооптических искажений, эквивалентно изменению конфигурации резонатора, так как оптическая длина резонатора равна .

В твердотельных лазерах сильно проявляются термооптические эффекты, так как показатель преломления n сильно зависит от температурыT. Нарис. 9показан случай, когда центральная область активного элемента имеет более высокую температуру (заштриховано) по сравнению с периферийной областью.

Нарис. 10показан возможный случай неравномерной накачки (а, следовательно, и температуры) активного элемента при изотропном освещении его цилиндрической боковой поверхности. Цилиндрический активный элемент ведет себя как цилиндрическая линза.

К

появлению термооптических искажений твердотельных лазеров приводит, кроме неравномерности накачки, охлаждение боковой поверхности, так как теплопроводность ограничена, и центральная часть активного элемента будет иметь большую температуру, чем боковая поверхность.

Для увеличения равномерности накачки используется, в частности, так называемая иммерсионная оболочка.

Она же увеличивает и плотность энергии накачки в активном элементе, так как растет размер поперечного сечения, «захватывающего» излучение накачки.

Одним из недостатков твердотельных активных элементов с полированной боковой поверхностью является образование в них паразитных типов колебаний, так называемых «шепчущих» мод, примеры которых показаны на рис. 12. Эти моды могут возникать за счет полного отражения от поверхностей активного элемента и приводят к значительному ухудшению характеристик излучения.

Это вредное явление «съедает» инверсию и уменьшает энергию генерации в направлении основного излучения, то есть ухудшает характеристики излучения.

Для борьбы с ним используют иммерсионные оболочки, а так же делают шероховатой боковую поверхность (полностью или частично – полоска и кольца) активного элемента.

Недостаток ламповой накачки – её спектр значительно шире полос поглощения (рис. 13).

При когерентной (лазерной) накачке можно идеально согласовать излучение накачки с полосами поглощения.

Когерентная накачкаявляется наиболее эффективной с точки зрения согласования спектров. Для когерентной накачки твердотельных лазеров наиболее широко используются полупроводниковые лазеры. Пример такой накачки показан нарис.14.

1. блок питания полупроводникового лазера;

2. полупроводникового лазер;

3. согласующая оптика;

4. накачиваемый т.т. лазер.

Рассмотрим в качестве примера рабочие схемы некоторых твердотельных лазеров.

Лазер на рубине.

Активной средой лазера является Al₂O₃:Cr³⁺- рубин, где в качестве активных центров используются ионы хромаCr³⁺, введенного в качестве активатора в матрицуAl₂O₃. Лазер работает по трехуровневой схеме, показанной нарис.15.

Энергия генерации в импульсе – до 100 Дж.

Лазер на неодимовом стекле.

Активной средой лазера являются стекла различных составов, где в качестве активных центров используются ионы неодима Nd³⁺, введенного в качестве активатора в стеклянную матрицу, лазер которой работает по четырехуровневой схеме, показанной нарис. 16.

Лазер на ИАГ.

Активной средой лазера является Y₃A_l5O₁₂:Nd- иттрий – алюминиевый гранат, где в качестве активатора используются ионы неодима (Nd³⁺), введенного в ИАГ в качестве активатора. Работа лазера аналогична лазеру на неодимовом стекле. Лазер работает по четырехуровневой схеме.

Возможна генерация в непрерывном режиме (до 500 Вт-1кВт).