Лекция №10 Твердотельные лазеры: аморфные лазерные вещества

Это стекла и неорганические термопластические материалы. Классифицируются по основе, по стеклообразующему аниону, по содержанию окислов (силикатные, боратные, свинцовые). В лазерной техники используют бесщелочные стекла, ионы-активаторы обычно являются компонентами стекла.

Преимущества аморфных активных элементов по сравнению с кристаллическими

1. Значительно большая концентрация активаторов

2. Дешевизна материалов матрицы

3. Несложность воспроизводства стержней активных элементов различных размеров и форм сечения

4. Высокая оптическая однородность, малая потеря излучения

Жидкостные лазеры

1-ый жидкостной лазер был получен при облучении р-ра нафталина 0,02% в бензофеноле. Облучение происходило с λ = 0,365 мкм с помощью ртутной лампы. Вынужденное излучение имело длину волны 0,47 мкм. По типу рабочего вещества жидкостные лазеры подразделяют:

1. Растворы неорганических соединений нередкоземельных элементов или растворы их солей.

2. Растворы ― внутрикомплексные соединения редкоземельных элементов в органических красителях (Eu³⁺, Nd³⁺).

3. Растворы металлоорганических красителей.

Органические красители ― сложные органические соединения, с разветвленной системой сопряженных связей, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и УФ областях спектра.

Общий диапазон длин волн, генерируемых различными красителями, 0,3 ― 1,3 мкм. Используя различные красители, можно получить когерентное излучение практически любой длины волны из указанного диапазона. В качестве растворителя используют воду, этанол, метанол, циклогексан, толуол, глицерин, бензол, ацетон и др. жидкости.

Ширина линии люминисценции у красителей необычайно велика ― она имеет порядок 0,1 мкм, ширина же генерируемой линии может быть порядка всего лишь мкм и даже меньше. Положение генерируемой лазером длины волны в пределах ширины линии люминисценции можно плавно варьировать, т.е. можно осуществлять в пределах примерно 0,1 мкм плавную перестройку длины волны генерации.

Преимущества жидкостных лазеров

1. Жидкость можно создать практически однородной в любом объеме, значительно увеличив предельные энергии излучения.

2. Жидкости имеют постоянные оптические характеристики, т.к. они изотропны

3. Жидкие активные вещества относительно дешевы

ТРИПЛЕТЫ (от лат. triplus - тройной) - группы близко расположенных спектральных линий, обусловленные триплетным расщеплением уровней энергии атома в результате спин-орбитального взаимодействия . Т. характерны для спектров атомов, имеющих два электрона во внеш. электронной оболочке. Мультиплетность ― число возможных ориентаций в пространстве спина атома или молекулы. Мультиплетность определяет число подуровней, на которое может расщепиться уровень энергии вследствие спин-орбитального взаимодействия (взаимодействие частиц, зависящее от величин и взаимной ориентации их спинового и орбитального моментов).

Оптическая накачка лазеров на красителях.

Для возбуждения красителей чаще всего применяют когерентную накачку излучением твердотельных лазеров (ИАГ: Nd³⁺, стекло с неодимом, рубин ), работающих в импульсном режиме. В качестве накачивающего излучения используется как основная частота, так и гармоники, например вторая (λ — 0,53 мкм) и третья (λ = 0,35 мкм) гармоники излучения лазера ИАГ: Nd³⁺, КПД лазеров на красителях с возбуждением при помощи вспомогательного импульсного лазера достигает десятков процентов. При использовании когерентной накачки лазеры на красителях могут функционировать в качестве широкополосных усилителей оптического диапазона; они могут также осуществлять сравнительно простое и эффективное преобразование оптических частот.

Различают поперечную и продольную схемы когерентной импульсной накачки. В первом случае накачивающее излучение распространяется перпендикулярно направлению генерации красителя, а во втором случае — параллельно. В качестве примера на рис. 10.1 представлен один из вариантов продольной схемы накачки. Здесь 1 — краситель, 2 — накачивающее излучение, 3 — излучение, генерируемое красителем, 4 — призма полного внутреннего отражения, 5 — зеркало резонатора (непрозрачное для накачивающего излучения).

Наряду с импульсной применяют также непрерывную когерентную накачку. Для этого обычно используют аргоновый ионный лазер. Чтобы превысить порог генерации красителя, приходится фокусировать накачивающее излучение в растворе красителя в пределах области диаметром порядка 10 мкм. При этом возникает опасность появления термооптических искажений в активной среде. Для устранения этой опасности раствор красителя быстро прокачивают через зону генерации (полная смена жидкости в зоне генерации происходит за время порядка 1 мкс). Прокачка раствора красителя важна и в других отношениях.

рис.10.1.

Применяется также некогерентная оптическая накачка лазеров на красителях — при помощи, например, трубчатых и коаксиальных импульсных ламп. Лазеры с ламповой накачкой имеют КПД порядка 1% и ниже.