БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра лазерной физики и спектроскопии

Разработка компактного неодимового лазера с диодной накачкой и волоконным выходом

Дипломная работа

студента 5 курса

Кульбицкого Р. Н.

Научный руководитель – доцент

кафедры лазерной

физики и спектроскопии

Серафимович А.И.

Минск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………….

1. Физические принципы получения вынужденого излучения. Неодимовый лазер.

I.1 Физические принципы получения вынужденого излучения. …….

I.2 Неодимовый лазер………………………………

I.3 Источники света применяемые в твердотельных лазерах..

I.3.1 Полупроводниковые лазеры………………..

I.3.2 Диодная накачка неодимовых лазеров……………………………

I.4 Линейные чип-лазеры…………………………………………………

II. Разработка и изготовления компактного неодимового лазера с диодной накачкой и волоконным выходом….

II.1 Разработка принципиальной схемы с диодной накачкой и волоконным выходом

II.2 Оптические и физикотехнические характеристики основных узлов лазера.

II.3 Технические требования к узлам лазера. Сопряжение физикотехнических характеристик при сборке лазера.

II.3.1

II.3.2

II.3.3

Список сокращений и условных обозначений

ТЛПН - твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой

термистор

SDC

Введение

Лазеры – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10¹²–10¹³ Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый оптический квантовый генератор был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.

Цель настоящей работы заключается в создании относительно недорогого компактного чип-лазера малой мощности с высокой частотой следования импульсов .

I.1 Физические принципы получения вынужденного излучения

Известным фактом является то, что физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного излучения. В рабочем теле лазера путём накачки создаётся избыточное количество атомов в верхнем энергетическом состоянии. Рабочее тело лазера находится в резонаторе (в простейшем случае — пара зеркал), создающем условия для накапливания фотонов с определённым направлением импульса. Первоначальные фотоны возникают за счёт спонтанного излучения, затем их поток лавинообразно усиливается благодаря вынужденному излучению.

рис1 Вынужденное испускание фотона

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al₂O₃, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr³⁺, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решетки корунда внешний энергетический уровень хрома E₂ расщеплён. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E₀ в возбуждённое с энергией около E₂. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10⁻⁸ с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E₁, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10⁻³ с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E₀ на уровень E₁ нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

рисунок2: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.

В неодимовом лазере генерация излучения происходит на ионах неодима Nd³⁺, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E₂ и основным уровнем E₀ имеется промежуточный — рабочий уровень E₁. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E₂ и E₁. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E₂) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E₁). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (η_{квантовое} = hν_{излучения}/hν_{накачки}).