Кристалды диэлектрик негізіндегі лазерлер

Жартылай өткізгіштермен қатар, диэлектрик негізіндегі қатты лазерлер де белгілі. Әдетте бұндай құрылғылар люминосценстілерде қолданылады, ал электрлі еместерде қозу пайда болмайды,ал оптикалық әдісте болады.

Қатты лазерлердің түрлері мен параметрлері 5.3 суретте көрсетілген.

1960 жылы Т.Мейман рубин негізіндегі лазерді сипаттап берген. Al2O3 кристалдары Cr3+ ион негізіндегі хромдарға ие. Сонымен қатар, алюминий атомдардың көп бөлігі хром атомдарымен ауыстырылады.

Хром атомдары Al2O3 (EG _ 6 эВ) бөлігінің тыйым салынған зонасында орналасады. Энергияның жұтылуы мен шығуы жарықтанудың ортасында болады. 5.4 суретте көрсетілген.

Ксенонды лампалардың қуатты жарықтығы электрондарды Е1 деңгейден Е3 и Е4 қоздырылған деңгейге ауыстырып отырады. 10нс уақыт көлемінде электрондар Е2 деңгейіне құлайды , ол метастабильді деп аталады. Олар сол жерде 10^-3с көлем уақытында бола алады. Ал Е3 – Е2 энергиялары жылуға айналады.

5.3 Сурет 5.4 сурет рубинді лазер схемасы

Қатты дене лазерлердің параметрлері мен түрлері

Е2 деңгейінде электрондардың шоғырлануы болып Е1 деңгейде инверсиялық пайда болады.

υ жиілікті сәулені h υ = E2 – Е1 шартқа сәйкес Е2 деңгейден Е1 мәжбүрлі ауысу деп атайды.

Сәуле шығару қызыл жарықтың толқын ұзындығына сәйкес келеді.

Қатты дене конструкциясы 5.5 суретте көрсетілген.

Кристалл рубин ұз 10 см, диаметрі 1 см болатын цилиндр тәріздес болады. Кристалл шеттері тегістеліп айна ретінде қолданылады. Күшею мен таралу, цилиндрдің параллель бойында таралады.

Шағын оптоэлектронды құрылғыларға кристалл иттриево- алюминии негізіндегі лазерлер сәйкес келеді. Бұл кристалдарға неодим (Y3Al5O12:Nd3+) кристалын енгізеді. Неодим торда 1% атом иттриясын ауыстырады. Лазер 1,06 мкм көлемінде инфрақызыл сәуле шығарады. Қоздыру үшін GaAlAs инфрақызыл светадиодын қолданады, оның толқын ұзындығы неодимнің жұтылуына сәйкес келеді. Аса жоғарғы жарықтану концентрациясына байланысты неодимді лазер аса жоғарғы қуатты сәуле шығаруға ие. Кішкентай КПД YAG- лазерлердің шамасы 1...20% тең.

Дұры таңдалған спектрлі элементтердің таратуы 50% оптикалық таратуға ие.

Қатты денелердің негізгі режимі- импульсті. Оларға жоғарғы емес когорентті сәуле шығару тән. Олардың көбісі активті элементтердің сууын және тарату(накачка) элементтерін қажет етеді.

Спектральді және кеңістіктік таралу бірмодалы өткел, генерациялау, ПӘК энергиясының азаюы негізінде жүзеге асады.

5.4.

Сұйықтық лазері

Сұйықтық лазері өзінің белсенділігімен ортага тез әсерін тигізеді, тарту мүмкіндігінің арқасында сұйықтық лазері салқындайды, қайта құру жиілік мүмкіндігі және т.б пайда болады.

Сұйықтық лазерінің түрлері мен парпметрлері 5.6 суретте көрсетілген.

5.6 Сурет

Лазерлер органикалық бояғыштарда кең қолданыс табады (Dye,Lasers). Түрлі бояғыштар генерацияның толқынының ұзындықтары диапазонында ондаған нанометрге және монохромдыққа мүмкіндік береді. Лазерлер органикалық бояғыштарда үздіксіз жұмыс жасайды, және импульсты, мерзімді режимдерде жұмыс істей алады. Бір импульстың қайраты жүздеген джоульге жетуі мүмкін, ал толассыз генерацияның алымдылығы - ондаған ватт және КПД да бірнеше ондаған пайызға жетеді егер, лазер тартушы болса. Синхрондаудың мод режимінде бірнеше пикосекундтің арасында лазерлі импульстар пайда болуы мүмкін.

Сұйықтықтың лазерінің құрылымдық сұлбасы сурет 5.7

Сурет 5.7

Сурет. 5.8

Родамина органикалық бояғышының құрылымдық формуласы 6G

Лазердің белсенді бояғыштарында молекулаларының органикасы қызмет етеді, бояғыштар суда немесе езгіштерде қолданылады. Бояғыштар күрделі органикалық құралымдар түйіндес химиялық байланыстың жүйесі болып табылады. Осы байланыс өңдеушеге ие, сондықтан ол спектордың айқын облысында орналасады. Бояғыштың молекулалық құрылымы күрделі. Ол бензольді(С6Н6) сақтайды, (С6Н5N)қарамастан, азотты(С4Н4N2) және басқа сақиналар. Лазерлік техникада коп қолданыс табатын бояғыш ол негізгі родамина 6G.

Родамина органикалық бояғышының құрылымдық формуласы 6G 5.8 суретте. Мынадай макромолекула күштің электрондық энергиясына бай терімге ие болады. Энергетиканың арақашықтығы осы күйлермен 1...3 келеді, 0,1...0,01 және 10-3...10-4эВ сәйкес келеді. Тербелмелі және айналмалы контурлар энергетикалық айғыздың топтамаларын күйлерге тағайынды.

Осы күйлерді екі топқа бөлуге болады: синглетті (S) және триплет(Т), 5.9 суретте көрсетілген сияқты. Бірінші топқа спиннің антиқатарлас бағдарлау күйлері қарайды (S = 0), ал екіге - қатарлас бағдарлаумен(S = 1).

Электронның әр қайсысы тербелмелі деңгейде топтастырылады (5.9 суретте майлы сызықтармен) және айналмалы деңгейде қарастырылады. Ереже бойынша оптикалық өткелдер бір қалыпты күйлер арасында (?S=0), S өткелдерінің - S(синглет- синглет) және Т–Т (триплет-триплетты) рұқсат етілген.

Молекуланың бір қалыпты шарттарында S0 күйі негізгі болады. Оптикалық сәулеленудің нәтижесінде молекула өзінің негізгі S0 деңгейінен тербелмелі және айналмалы S1күйіне ауысады. Спектордың бұндай өткелдері кең көлемде қолданылады. Спектральдік жағдайда максималды бояғыштың түсін анықтайды және бөлек заттар үшін шамамен 1 мкм-ден 0,3мкм-ға дейін өзгереді. Жолақ көлемі үшін бояғыштар әр түрлі және 0,2 эВ шамалас.

Оптикалық S0-S1 өткелін кездестіре отырып, S1 өткелінің қоздырушы күйлерінің бірі, молекула релаксациясының үдерістер поцессінде тербелмелі және айналмалы деңгейіндгі S1төменгі күйге ауысады. Осы термализация үрдісі өте тез болады, шамамен 1 пс. Термалды тасығыштар S1 күйінен сәулелі немесе сәулелі емес S0 негізгі күйіне ауысады. Коптеген белгілі бояғыштардың сәулелену үдерістерінде сәулелену емес дегейіне ауысып отырады. Сәулелену өткелінің S1- S0 уақыты өте аз ол шамамен 1 нс. құрайды.

Интерфейсті оптикалық тартуда төменгі күйлердің арасында S1жолағы жоғарғы S0 деңгейіне жетуі мүмкін. Генерация энергетикалық деңгейдің арасында жүзеге асады, ол S1 және S0 жолағының төртдеңгейліктің схемасында көрсетіледі. Т1 және Т2 триплет күйлері лазерлі генерация процессіне қатынаспайды, керісінше оған кедергі жасайды.

Көптеген қызығушылықты органикалық бояғыш лазері ұсынады, генератор толқынның ұзындығы сияқты. Осы мүмкіндікті жүзеге асыру ушін дисперциялы резонаторды қолданады, оның меншік жиілігін ауыстыруга болады. Дұрыс нұсқаның бірі ол - біртекті біржиіліктің резонаторы. S0 S1оптикалық бояғышының өткелінің мүмкіндігі өте жоғары, пайда көрсету және күшейту бұл заттар үшін өте үлкен. Олар шамамен екі тәсілде лазерді гранатта және рубинде төмен сигналдық күшейткішке асырады. Бояғыш лазерлері жоғары күшейткіщ коэффициентіне ие, ол белсенді ортада 1 мм3 көлемін сұрайды.

Интенсивті жіті сәулеленуінің тартуы және кейінгі қызу бояғышының кіші көлемі заттардың үздіксіз ауысып жұмыс істеу көлеміне әкеледі. Қарсы жағдайда бояғыштың термиялық жағымсыздануына әкеледі, және де молекулалардың триплетті күйінде жиналып, Т1 және генерацияның үзілісіне әкеледі.

Бояғыштың сәйкес терімімен сұйықтықтық лазерлері толқынның ұзындығының 0,34 тен 1,17 мкм дейін диапазонын жабады. КПД қазіргі лазерлердің органикалық бояғыштары 30% сәулелену лазерін тартуда және 1% - импульсты шамдар арқылы жетеді.

Лазерлердің қарастырып отырған үздіксіз режимде шығу қуаты бірнеше ваттқа жетеді, импульсті режимінде – 10 вт тан бірнеше мегаваттқа дейін, егер импульстың ұзақтығы 20 нс және қайталаушы жиілігі 200 гц дейін жетсе, онда лазер шоқшасы 2...2,5 мрад болады.

Мод синхрондауының режимінде сәулелену импульсының генерациясы өте қысқа -

5.5.