Контрольныевопросы

1. КаковмеханизмвозбужденияактивнойсредыHe–Cd-лазера?

2. Какиефункциивыполняетгелий?

3. Вчемпричинанизкого КПД He–Cd-лазера?

4. Вчемпричинатепловойинерционностилазераикаконапроявляет-сяприразличныхтокахподогревателя?

5. ВчемпричинатепловойзависимостимощностиизлученияHe–Cd-лазера?

6. Вчемпричинаспадамощностиизлученияприповышенныхтокахразряда?

7. Есливключенлевый(правый)испаритель,токакуюполярностьдолжныиметьэлектроды?

2. Твердотельныеижидкостные лазеры

Активными средами твердотельных лазеров (ТТЛ) служат оптическиестекла и кристаллы, легированные активаторами. Стекла и кристаллы обла-дают большим усилением по сравнению с газообразными АС, но одновре-менно уровень потерь в АС ТТЛ, обусловленный существенным поглощени-ем и рассеянием излучения, заметно выше. Последнее обстоятельство приво-дит к относительно высокому порогу генерации, а, следовательно, и к напря-женному тепловому режиму работы активной среды. Все ТТЛ объединяетобщий и единственно возможный для их активных сред оптический методнакачки. Для твердотельных лазеров типичным является импульсный режимработы, как правило, с использованием принудительного водяного охлажде-ния. Освоены и выпускаются серийно твердотельные лазеры на основе фос-фатныхисиликатныхоптическихстекол,легированныхтрехвалентнымиионами неодима (неодимовые лазеры), с длиной волны генерации λ = 1,06мкм;рубиновыелазеры–лазерынаискусственныхкристаллахрубина(ко-

рунда, легированного хромом) с λ = 0,69 мкм. Широко распространены лазе-рынаиттриево-алюминиевомгранате,легированномхромоминеодимом(ИАГ-лазеры), генерирующие ИК-излучение на основной длине волны 1,06мкм. ИАГ-лазеры с нелинейно-оптическими преобразователями генерируютизлучение на гармониках, вплоть до четвертой, основной частоты. Благодаряхорошей теплопроводности кристалла и относительно низкому порогу гене-рации ИАГ-лазеры, единственные из всех типов ТТЛ, которые могут рабо-татьнетольковимпульсном,нои внепрерывномрежимегенерации.

Активной средой жидкостных лазеров чаще всего служат спиртовыеиливодныерастворыорганическихкрасителей,напримерродамина6G.Накачка АС производится излучением мощных ионных аргоновых и крипто-новых лазеров. Благодаря большой ширине линии люминесценции красите-лей длина волны излучения жидкостных лазеров может перестраиваться впределах заметной части видимого диапазона. В силу сложности конструк-ции и высокой стоимости жидкостные лазеры пока не получили широкогораспространения.

Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате (ИАГ)– наиболее широ-ко используемые твердотельные лазеры. Как все твердотельные лазеры, гра-натовые лазеры имеют оптическую накачку. Они состоят из активного эле-мента (АЭ), лампы оптической накачки (ЛН), отражателя, концентрирующе-го излучение ЛН на АЭ, оптического резонатора (ОР), блока питания и си-стемы охлаждения. Активный элемент представляет собой монокристалличе-скую матрицу, легированную активатором. Характерным для всех твердо-тельных лазеров (включая и лазер на ИАГ), является использование в каче-стве активаторов ионов химических элементов с незаполненной внутреннейоболочкой, к которым относятся в частности элементы переходной группы игруппы редкоземельных металлов (неодим, хром, гадолиний, самарий и др.).У таких ионов возбуждаются электроны внутренней незаполненной оболоч-ки,хорошо экранированной от внешних воздействий внешними оболочками.Экранировка увеличивает время жизни возбужденных ионов активатора наверхнем лазерном уровне (ВЛУ), а следовательно, и способность активнойсредынакапливатьзначительныеэнергиивозбуждения.ВИАГ-лазерероль

матрицывыполняеткристаллиттриево-алюминиевогограната(Y₃Al₅O₁₂),активатора – трехвалентный ион неодима (Nd⁺³), обеспечивающий генера-циюнадлиневолны1060нм.СтепеньлегированияИАГ–доляионовнеодима,заместившихионыиттрия,доходитдо1,5%.Вцеляхповышения

эффективности оптической накачки кристалл Y₃Al₅O₁₂дополнительно леги-руют ионами хрома Cr⁺³, что расширяет полосу поглощения активной среды.Из энергетической диаграммы (рис. 7.4) следует, что ИАГ-АС имеет широ-киеполосыпоглощенияквантовоптическогоизлучениянакачки.КвантынакачкипереводятионыNd^+3иCr^+3нанесколькокороткоживущихвозбуж-

денных уровней, которые быстро релаксируют на расположенный ниже ме-тастабильныйэнергетическийуровень4F_{3/2неодима,}выполняющийрольверхнеголазерногоуровня.РадиационноевремяжизниВЛУсоставляет

5^.10^–3с.Большоевремяжизниверхнегоуровнясовместносотносительно

высокой концентрацией Nd⁺³позволяет ИАГ-лазеру генерировать мощное, вдесятки-сотниваттИК-излучение.

W, эВ

5

_4F1

4

4F²

3

2 Оптическая 4F_{3/2накачка}

1 λ=1060нм

Cr⁺³ Nd^{+3 4}I_11/2

0

Рис.7.4.ЭнергетическаядиаграммаИАГ-лазера

В отличие от рубиновых лазеров, работающих по низкоэффективнойтрехуровневой схеме создания инверсии населенностей, гранатовые лазерыиспользуютчетырехуровневуюсхему,характеризуемуюмалойпороговойэнергией накачки. Низкий порог генерации в сочетании с относительно вы-сокой теплопроводностью кристалла ИАГ делает возможным работу грана-товых лазеров не только в импульсном, но и непрерывном режимах. Это вы-годно отличает ИАГ-лазеры от всех других типов твердотельных лазеров.Благодаря своим уникальным свойствам гранатовые лазеры нашли широкоеприменениевтехнологии,медицине,техническойфизике,локацииит.п.

Режим свободной генерации одиночных или периодически повторяю-щихсяимпульсоввозможенприиспользованииимпульсныхксеноновыхламп накачки. При работе ИАГ-лазеров в непрерывном режиме оптическаянакачка осуществляется, как правило, с помощью мощных дуговых крипто-новых ламп постоянного тока. Излучение криптоновых ламп лучше согласу-ется со спектральными линиями поглощения активной среды на основе кри-сталла Y₃Al₅O₁₂:Nd⁺³:Cr⁺³. Использование криптоновых ламп в 1,5 – 2 разаповышает КПД оптической накачки по сравнению со случаем использованияксеноновых ламп, увеличивая его до 40%. Достаточно высокая (порядка 20%)эффективностьнакачкидостигаетсявслучаеиспользованияизлученияСолнца, что можно реализовать при построении лазеров для космических ап-паратов. С приемлемым для практики КПД возможно применение галоген-ных ламп накаливания и ртутных капиллярных ламп для накачки маломощ-ныхИАГ-лазеров. Самаявысокаяэффективность накачкиполучается приоблучении активной среды гранатового лазера излучением инжекционногополупроводникового лазера на основе арсенида галлия. Путем легированиядлину волны генерации полупроводникового лазера удается точно подогнатьпод основную линию поглощения Y₃Al₅O₁₂:Nd⁺³:Cr⁺³.В результате резкоповышается КПД системы накачки. Слабым местом этого метода являютсяотносительно низкие уровни мощности генерации полупроводниковых лазе-ров,не превышающие на сегодняшнийденьединиц ватт.

При непрерывной накачке импульсный режим генерации ИАГ-лазераможет быть реализован за счет модуляции добротностиQоптического резо-натора. Модуляция добротности ОР осуществляется посредством периодиче-ского быстрого открывания оптического затвора, помещенного в ОР. Частоиспользуются акусто-оптические затворы (АОЗ) на основе плавленого квар-ца. При приложении к пьезопреобразователю затвора высокочастотного (де-сятки МГц) управляющего напряжения в кварцевом блоке АОЗ возникает бе-гущаяультразвуковая волна, которая вызывает периодические измененияпоказателя преломленияnвдоль оси, перпендикулярной потоку индуциро-ванных квантов. Период Λ измененияnимеет порядок единиц микрометров.Припадениинатакуюпространственно-неоднороднуюструктуруизлученияс длиной волны λ возникает дифракция Брэгга. В результате луч отклоняетсяот начального направления на угол, определяемый отношением λ/Λ и состав-ляющийпримерно1,5^о.ПосколькунаправлениераспространенияпучкавОР

лазерадетерминированоположениемзеркал,топриподачепитанияназа-

твор потери резко возрастают и генерация срывается. При выключении пита-ниязатворадифракционныепотерирезкоуменьшаются,добротностьОРскачкомповышается ивозникает импульсгенерации лазера.

Благодаря этому процессы накопления возбужденных частиц на верх-нем лазерном уровне и излучения индуцированных квантов при девозбужде-нии частиц разнесены во времени. Пока затвор закрыт (добротность ОР низкаиз-за больших потерь), плотность потока индуцированных квантов в АС ма-ла. Следовательно, мала и вероятность индуцированных переходов с ВЛУ, азначит, на верхнем лазерном уровне происходит только накопление возбуж-денных частиц. Инверсия населенностей Δnрабочих уровней активной средыувеличивается до весьма большой величины (рис. 7.5). При открывании за-твора скачкообразно уменьшаются потери и увеличивается добротность ОР.Начальный поток квантов, излучаемых накопленными активной средой ча-стицами, оказываетсязначительным. В результате, вероятность индуциро-ванных переходов сильно возрастает, эффективное время жизни возбужден-ных частицна ВЛУ уменьшается и верхний лазерный уровень быстро (задоли микросекунды) опустошается вплоть до срыва генерации. Далее затворзапирается,ивсепроцессыповторяются.Режиммодуляциидобротностииногданазываютрежимомгенерациигигантскихимпульсов.Благодаряэф-

фекту накопления частиц и малым временам генерацииt_{иамплитуда им-}пульсовмногократновозрастает.

Примодуляциидобротностиоптическогорезонаторапревышениеам-

плитуды импульса достигает десятков-сотен раз над уровнем генерации в не-прерывном режиме или в импульсном режиме свободной генерации. Есте-ственно, что средний уровень мощности излучения лазера при введении воптическийрезонатор затворанесколькопадаетиз-завносимыхимпотерь.

РостΔnпризакрытомзатвореограниченпроцессамиспонтанногоиз-лучениясВЛУ.Поэтому,еслипериоднакопленияT_{нначнет}превышатьвре-

мяжизничастицнаверхнемуровнеt₂,спонтанноеизлучениесВЛУбудетвозрастатьикомпенсироватьприходновыхвозбужденныхчастиц.Врезуль-

тате,приT_н>t_{2амплитуда}импульсаизлученияP_{maxлазера}будетоставатьсяпостоянной,аэнергиянакачкистанетрасходоватьсявпустую.Cповышением

частотыF=1/T_{нповторения}импульсовуменьшаетсявремянакоплениявозбужденныхчастицнаВЛУ.КакследствиепадаетуровеньΔn,достигае-

мый к моменту открывания затвора, и снижается амплитуда импульса излу-чения.Соответственнопадает и энергияимпульсовW=P_maxtи.

Средняямощностьгенерациилазера,определяетсяследующимобра-

зом:Р=W F=P_maxt_иF. В области средних частотPслабо зависит отF. ПрималыхF, когдаT_н>t₂иP_max~const,Pрастет синхронно сF. На повышенныхчастотах повторения импульсовPможет снижаться за счет падения коэффи-циентапревышенияусилениянадуровнемпотерьврезонаторе.

Рис. 7.5. Временные диаграммы инверсии Δnи мощности излученияпричастотахповторения:а– малых,б– больших

Активные элементы ИАГ-лазеров представляют собой цилиндрическиестержни диаметром в единицы и протяженностью до 150 мм из иттриево-алюминиевого граната, легированного неодимом. Торцы АЭ полируются ипросветляются. Для выделения основной поперечной моды в ОР лазера мо-жет быть установлена диафрагма. Мощность излучения гранатовых лазеровсоставляет единицы … сотни Вт. КПД гранатового лазера не превышает 2 …3%. Максимальный разрядный ток дуговых криптоновых ламп накачки до-стигает десятков ампер. В итоге электрическая мощностьP_нак, потребляемаядуговыми криптоновыми лампами накачки, достигает единиц киловатт. Зна-чительнаячастьP_накпревращаетсявтепло,отводимоеотлампынакачкииАЭ путем интенсивного водяного охлаждения. ИАГ-лазеры обычно имеютдвухконтурную систему охлаждения. Активный элемент, лампа накачки иакустооптическийзатворохлаждаются дистиллированной водой,циркули-рующей по замкнутому контуру и, в свою очередь, охлаждаемой внешнимводопроводным контуром. Активный элемент и лампа накачки размещаютсявцилиндрическомкварцевоммоноблоке,вкоторомвысверленысоответ-ствующие отверстия. Такое техническое решение позволяет получить турбу-лентный характер движения воды вдоль АЭ и ЛН, работающих в тяжеломтепловом режиме, и повысить эффективность их охлаждения. На наружнуюповерхность моноблока нанесено отражающее покрытие, концентрирующееизлучениелампы накачки на АЭ.

Зависимость средней мощностиPкогерентного излучения ИАГ-лазераот тока разрядаIлампы накачки называется его выходной, или энергетиче-скойхарактеристикой.ГенерациялазераначинаетсяпритокеЛН,большем

некоторого порогового значенияI_пор, соответствующего условию компенса-ции всех видов потерь в оптическом резонаторе усилением в активной среде.ПривозрастанииIвышепороговогоРвозрастает,таккакростмощности

накачкиР_{накувеличивает}скоростьзаселенияверхнеголазерногоуровня,что, в свою очередь, увеличивает мощность когерентного излучения. Придальнейшем повышенииIвозможны замедление роста мощности излученияидажеееспад.Объясняетсяэтотем,чтопрификсированномрасходеводыв

системеохлаждениясростомР_{накувеличивается}температуракристаллаИАГ, что изменяет его геометрию и оптические свойства. В частности, неод-нородный нагрев АС приводит к вариациям показателя преломления по се-чениюкристаллаи,какследствие,кобразованию“термическойлинзы”.В

результате, нарушается ход лучей в ОР и растут потери когерентного излуче-ния. С ростом температуры увеличивается также доля спонтанных и безыз-лучательныхпереходов,обедняющихканалиндуцированныхпереходоввАС.