9283_спектры поглощения материалов_отчёт_Зикратова

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра фотоники

отчЁт

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Квантовая оптическая электроника»

Тема: СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

Студентка гр. 9283		Зикратова А. А.
		Дронов А.
Преподаватель		Романович М. М.

Санкт-Петербург

2022

Цель работы.

исследование спектров оптического поглощения материалов, используемых в качестве активных элементов твердотельных лазеров.

Основные положения:

В работе исследуются два материала активных элементов твердотельных лазеров: рубин (Cr³⁺ в матрице окиси алюминия Al₂O₃) и неодимовое стекло (Nd³⁺ в стекле). Рубин изготавливается искусственно путем добавления оксида хрома Cr₂O₃ в корунд. Бесцветные кристаллы Al₂O₃ обладают высокими теплофизическими и механическими свойствами и прозрачны в оптической области от 0,17 до 6,5 мкм. При добавлении Cr₂O₃ цвет материала меняется от бледно-розового при низком легировании до вишнево-красного при концентрации хрома C_Cr ~ 1 %. В лазерах обычно используется рубин с C_Cr в пределах от 0,03 % до 0,05 %. Основные энергетические уровни хрома в рубине и схема работы лазера представлены на рис. 1.:

Рис. 1 - Диаграмма энергетических уровней Cr³⁺ в Al₂O₃ и схема работы рубинового лазера

Недостатками рубинового лазера являются низкий КПД и большие пороговые энергии накачки, обусловленные трехуровневой схемой работы. Более удачными в этом смысле оказались ионы редкоземельных элементов, в частности неодима Nd, которые позволяют осуществить работу по четырехуровневой схеме. На рис. 2. представлена упрощенная энергетическая диаграмма Nd³⁺ в стекле.

Рис. 2 - Упрощенная диаграмма энергетических уровней Nd³⁺ в стекле и схема работы неодимового лазера

Эффективность оптической накачки определяется шириной и спектральным положением полос поглощения ионов активатора. Исследование спектров поглощения дает возможность не только согласовать источник накачки с активным элементом твердотельного лазера, но и определить вероятности соответствующих переходов. Изучение спектра поглощения проводят путем измерения оптического пропускания материала на заданной длине волны монохроматического излучения λ (частоте ω или энергии фотонов ħω).

Схема установки:

Рис. 3 - Оптическая схема установки для измерения спектров пропускания: 1 – галогенная лампа, 2 – решёточный монохроматор, 3 – набор сменных диафрагм, 4 – линза, 5 – каретка для образцов, 6 – фильтр, 7 –вакуумные элементы

Обработка результатов:

1.

Пример расчёта коэффициента поглощения для рубина при λ = 350 нм, d = 1 см:

n_руб = 1,76; R_руб = = = ≈ 0,076; k = * [2ln(1 – R) – ln(T)]

= * [2ln(1 – 0,076) – ln(22,5/100)] ≈ 1,334 см^-1.

Рис. 4 – Зависимость коэффициента пропускания от длины волны излучения для рубина

U-полоса поглощения

Y-полоса поглощения

Рис. 5 – Зависимость коэффициента поглощения от частоты излучения для рубина

Пример расчёта коэффициента поглощения для стекла при λ = 520 нм, d = 1 см:

n_ст = 1,55; R_руб = = = ≈ 0,047; k = * [2ln(1 – R) – ln(T)]

= * [2ln(1 – 0,047) – ln(9,5/100)] ≈ 2,259 см^-1.

Рис. 6 – Зависимость коэффициента пропускания от длины волны излучения для неодимового стекла

Рис. 7 – Зависимость коэффициента поглощения от частоты излучения для неодимового стекла

2. Процентное содержание Cr₂O₃ в кристалле рубина, d = 1 см, d_Cr2O3 = 3,39 г/см³:

C_Cr = * ) = * ) ≈ 0,0773 %; N = = ≈ 1,038 * 10¹⁹ см^-3 = 1,038 * 10²⁵ м^-3

3. Расчёт коэффициентов Эйнштейна и интегрального поперечного сечения поглощения для U- и Y- полос:

Пример расчёта параметров для U-полосы:

B₀₂ = * = * = * ≈ 1,49 * *10¹⁵ м³/(Дж * с²), где соответствует = λ₂ – λ₁, а λ₂, λ₁ соответствуют приблизительно k_max/2

A₂₀ = * ω B₀₂ = * B₀₂ = * * *1,49 *10¹⁵ ≈ 90081,4 с^-1

χ = = = = ≈ 4,46 * 10^-12 м²

Вывод: в ходе лабораторной работы рассматривались спектры поглощения рубина и неодимового стекла, применяемых в качестве активных веществ для твердотельных лазеров.

1. Накачка рубина, легированного ионами Cr³⁺, интенсивнее всего происходит в U-полосе [350 … 450]нм (максимум поглощения ≈ 390 нм) и Y-полосе [475 … 600]нм (максимум поглощения ≈ 540 нм). Накачка стекла, легированного ионами Nd³⁺, интенсивнее всего происходит в полосе [550 … 600]нм (максимум поглощения ≈ 520 нм) и полосе [715 … 760]нм (максимум поглощения ≈ 730 нм).

2 - 3. Для расчёта коэффициентов Эйнштейна A₂₀, B₀₂ для рубина (пропорциональны вероятностям спонтанного и вынужденного переходов соответственно) была рассчитана концентрация ионов Cr³⁺, поскольку его содержание определяет поглощающую способность рубина. По эмпирической формуле * ) было определено процентное содержание ионов Cr³⁺ - C_Cr, а также концентрация поглощающих центров – N, пропорциональную C_Cr и влияющую на вероятности переходов.