Квантовая и оптическая электроника

151

бованиям: допускать активировку элементами, на переходах которых осуществляется генерация, быть химически стойким и механически прочным, выдерживать нагревы, быть технологичным для массового производства, допускать механическую обработку, быть прозрачным для излучения накачки и генерации, быть оптически однородным.

В качестве матрицы используется кристаллическая решетка щелочноземельных солей трех кислот, вольфрамовой (H2WO4), молибденовой (H2M0O4) и плавиковой HF или применяются иттриевые гранаты (Y3Me5O12, где Me — алюминий или гадолиний, или железо и др.)

Из других кристаллических материалов следует отметить ко-

рунд Al2O3 и аморфное вещество — стекло.

Элементы системы накачки. В системе накачки твердо-

тельного лазера можно выделить три основных элемента:

1.Источник оптического излучения (лампа накачки, светодиоды и др.) В лампе накачки (в светодиоде) электрическая энергия источника питания преобразуется в оптическое излучение, используемое для создания инверсии населенности рабочих уровней

вактивном веществе при его накачке.

2.Осветительная система, с помощью которой излучение лампы с минимальными потерями передается в лазерный кристалл.

3.Электрическая схема блока питания лампы накачки. Рассмотрим кратко характеристики практически используе-

мых элементов лампы накачки и осветительной системы.

К лампам накачки предъявляются следующие требования:

1.Они должны обладать высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую.

2.Хорошим согласованием спектра излучения со спектром поглощения активного элемента.

3.Важнейшими параметрами лампы накачки являются: предельная энергия вспышки, которую лампа может выдержать без разрушения оболочки, и постоянная величина, определяемая эмпирическим соотношением

Основными источниками накачки твердотельных лазеров являются газоразрядные лампы, которые имеют максимум излучения в видимой области спектра.

152

Из газоразрядных ламп более широкое распространение получили импульсные ксеноновые газоразрядные лампы. Эффективность преобразования электрической энергии в световую для таких ламп может достигать 50 %. Однако на спектральную область, где расположены линии поглощения активного элемента, например рубина, приходится менее 30 % излучаемой энергии. Остальная энергия является бесполезной и даже вредной, так как она затрачивается на нагревание активного элемента, оболочки лампы накачки и осветителя. Отсюда вытекает неполное соответствие спектра излучения источника накачки спектру поглощения

ния которых совпадает с полосой поглощения активного элемента. В настоящее время в качестве таких источников стали применять светодиоды некогерентного излучения на основе тройных

соединений типа GaAs1–x Px.

Осветительная система. Повышение эффективности пере-

элемента. Внутренняя поверхность отражателя полируется и покрывается отражающим материалом (серебром, золотом). При использовании отражателя с диффузным отражением форма отражающей поверхности не имеет значения.

153

Тип осветителя зависит от конфигурации активного элемента и лампы накачки. Для полного использования световой энергии лампы накачки применяют различные схемы фокусировки. Например, лампу и рубиновый стержень размещают в фокусах эллиптического цилиндрического рефлектора, рис. 7.22, а. В основе работы этого осветителя лежит свойство эллипса, состоящее в том, что всякий луч, проходящий через одну из фокальных осей эллипса, после отражения от его поверхности обязательно пройдёт через вторую фокальную ось. В некоторых случаях применяются эллипсоидные рефлекторы, рис. 7.22, б.

Для накачки активных элементов диаметром, превосходящим диаметр лампы накачки, а также для увеличения энергии накачки иногда вместо одной лампы применяют два или четыре

ного спектра излучения лампы накачки используются также ди-

электрические интерференционные покрытия.

Оптический резонатор твердотельного лазера может быть волноводного или открытого типа. В волноводном резонаторе активной средой является отрезок диэлектрического волновода, в котором высокодобротные колебания устанавливаются за счет полного внутреннего отражения поперечных мод от боковых и торцевых поверхностей активной среды. Могут применяться комбинированные резонаторы с активным элементом волноводного типа, у которого торцевые поверхности служат лишь для преломления излучения и вывода его из активного элемента, а обратная связь осуществляется внешними отражателями (рис. 7.24, а). На рис. 7.24 показаны схемы оптических резонаторов твердотельных лазеров и введены следующие обозначения: 1 — призменный отражатель; 2 — отражатель осветителя; 3 — лампы накачки; 4 — активный элемент; 5 — стоп-резонансный отражатель: 6 — вы-

154

ходное зеркало; 7 — зеркала резонатора.

Рис. 7.24

При использовании выносных отражателей конфигурация резонатора выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить генерацию минимального числа поперечных мод. Это достигается в основном за счет применения резонаторов неустойчивой конфигурации.

На рис 7.24, б показана схема твердотельного лазера с телескопическим неустойчивым резонатором, образованным зеркалами, расположенными на расстоянии L = f1 – f2 друг от друга, и дифракционным выводом излучения.

Блок-схема импульсного рубинового лазера показана на рис. 7.25, где 1 — ксеноновая лампа, 2 — запускающий электрод, 3 —

Рис. 7.25

рефлектор, 4 — рубиновый стержень, 5 — выходное излучение, 6, 7 — источники питания.

При подаче на запускающий электрод импульса лампа загорается и продолжает гореть, пока не израсходуется запасенная в

155

конденсаторе С1 энергия. Поджигающий импульс напряжением в несколько десятков киловольт снимают со вторичной обмотки повышающего трансформатора.

Энергетическая диаграмма уровней трехвалентного иона хрома с рубином Al2O3Cr+3 и схема переходов, имеющих непо-

(длина волны поглощения примерно 0,41 мкм и 0,56 мкм), поглощается ионами Сг, которые переходят из основного состояния 1 на два широких уровня 3. За короткое время основная часть возбужденных частиц переходит безызлучательно на два близко расположенных металлических уровня 2, отдавая избыток энергии кристаллической решетке. Значительно меньшая часть ионов возвращается в исходные состояния посредством перехода 3®1. На метастабильных уровнях 2 из-за большого времени жизни (~3×10–3 с) накапливаются частицы. При достаточной величине энергии накачки возникает инверсная населенность в переходе 2®1, таким образом, генерация возникает на двух линиях R2 и R1. При комнатной температуре длина волны генерации составляет l1 = 0,6943 мкм для линии R1 и l2 = 0,6929 мкм для линии R2. Ширина и положение на шкале частот линии усиления зависят от температуры активной среды. При температуре 300 К ширина линии составляет около 300 ГГц и при температуре 77 К около 10 ГГц, причем ли-

ния уширена однородно.

Условия самовозбуждения. Для возникновения и поддержания в ОКГ стационарных автоколебаний должен поддерживаться баланс мощностей, а именно, равенство мощности, отданной

156

активным веществом, и мощности всех видов потерь Ротд = = Рпо- терь. Мощность, отданная на выбранном рабочем переходе, определяется согласно формуле в основном разностью населенностей

элементов. Активные редкоземельные элементы, преимущественно Nd, вводятся в стекло также в виде соединений. Оптические и технологические особенности стекла позволяют производить дешевые активные элементы любой формы и размеров. Структура энергетических уровней Nd позволяет использовать четырехуровневую схему оптической накачки (рис. 7.28). Наиболее интенсивные полосы поглощения расположены в области 0,5–0,9 мкм. Полосы усиления уширены неоднородно и лежат в ближней инфракрасной области спектра. Наиболее интенсивная люминесценция соответствует длине волны l = 1,06 мкм. Ширина линии усиления зависит от сорта стекла и концентрации ионов Nd и может достичь значении 1013 Гц. Накачка в таких системах производится лампами накачки, у которых спектр излучения вызывает пе-

157

реход частиц с первого на четвертый уровень рис. 7.28. С 4-го уровня ато-

мы безызлучательно переходят на 3-й. Рис. 7.28 Со 2-го уровня также идет опустоше-

ние за счет безызлучательных переходов. Населенность уровня 3 всегда превышает населенность уровня 2 и, следовательно, на переходе 3–2 возникает инверсия. Порог в 4-уровневых системах значительно меньше, чем в 7-уровневых. Это обстоятельство связано с тем, что в 4-уровневой системе в качестве нижнего используются не заселенные уровни.

В режиме свободной генерации получают большие энергии излучения от 1 до 5000 Дж при КПД, достигающем нескольких процентов. Длительности импульсов излучения определяются режимом работы ламп накачки и составляют несколько миллисекунд. Расходимость излучения меньше, чем в рубиновых лазерах, что обусловлено лучшей оптической однородностью стекла. Малая теплопроводность стекла ограничивает частоту повторения импульсов.

На стекле, активированном неодимом, созданы ОКГ с рекордно большой энергией генерации порядка килоджоулей в импульсе (L = 80 см, 50мм). КПД таких генераторов составляет доли процента, выходное излучение имеет также пичковый режим. Ширина спектра излучения достигает 20 нм. Излучение ОКГ на неодимовом стекле не поляризовано. Это связано с хаотической ориентацией ионов неодима и оптической неоднородностью стекла. Угловая расходимость составляет единицы минут и значительно меньше, чем у рубиновых лазеров. Это обусловлено высо-

кой оптической неоднородностью стекла.

В лазерах на гранате активные элементы представляют собой синтетические гранаты, служащие основой для замещения ионами редкоземельных элементов и ионами металлов переходных групп и обладающие низким порогом возбуждения и высокой теплопроводностью. Вследствие этого такие лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах при достаточно высоком КПД (до двух процентов). Наибольшее распространение получили лазеры на иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ), активированном ниодимом. Для повышения эффективности накачки в кри-

158

сталлическую решетку граната, кроме ионов активатора (Nd+3), вводят ионы сенсибилизатора (Сг3+), спектр поглощения которых лучше согласован со спектром излучения ламп накачки.

Лазеры на гранате могут работать в режиме свободной генерации с высокой частотой следования импульсов, недоступной генераторам на стекле и рубине, а также в режиме модулированной добротности. Предельные энергетические характеристики лазеров определяются, прежде всего, технологическими возможностями изготовления оптически качественных кристаллов больших размеров. Во многих лазерах используют небольшие по размерам активные элементы, обеспечивающие компактные и простые конструкции лазеров. Высокий КПД обусловливает низкое энергопотребление прибора.

В промышленных образцах генераторов мощность непрерывного излучения составляет до 1 кВт, в режиме модулированной добротности до 104 Вт. Умножение частоты в нелинейных кристаллах излучения ИАГ-лазера позволяет получать мощное импульсное и непрерывное излучение в видимом и ультрафиолетовом диапазоне волн.

Многообразие режимов работы, возможность генерирования больших мощностей и излучения и сравнительно высоким к.п.д. ставит лазеры на гранате в число наиболее перспективных.

Структура энергетических уровней АИГ: Nd сложна и генерация может осуществляться по 4-уровневой схеме на большом числе инфракрасных переходов в диапазоне длин волн 0,94÷2,1 мкм. Основной из переходов при комнатной температуре излучает волны λ=1,064 мкм. Накачка наиболее эффективна на λ=0,81 мкм и λ=0,75 мкм. В кристаллах на АИГ: Nd7 мощность в непрерывном режиме лежит в пределах 10÷100 Вт, а в импульсном — 10 6÷1010 Вт.

Конструкция генератора на АИГ: Nd сходна с конструкцией рубинового ОКГ, однако активный стержень приходится охлаждать проточной водой. В непрерывном режиме на стержне L = 15 см,

1 см была получена Рмакс= 750 Вт при КПД 1,7 %. Для связи обычно необходимы средние мощности порядка нескольких ватт. Они легко получаются в генераторах на гранате. Достоинством таких ОКГ является относительно низкий уровень флуктуаций выходной мощности — 0,1 до 1 %. Наибольшая энергия в импуль-

159

се до 1 кДж достигнута в настоящее время в ОКГ на стекле с неодимом. Активный элемент такого ОКГ представляет собой стержень 70 мм и длиной до 80 см, они сравнительно дешевы, но использовать их в непрерывных ОКГ нельзя из-за плохой термо-

стойкости кристалла.

Пички и режим свободной генерации. Излучение генера-

торов на твердотельных ОКГ существенно не стационарно (см. рис. 7.27). Даже при непрерывном питании лампы накачки излучение имеет вид импульсов, амплитуда которых и расстояние между которыми могут изменяться. Для рубиновых ОКГ длительность этих импульсов называется пичками ~ мксек, расстояние между ними в 10 раз больше. Характер пичковой генерации зависит от свойств резонатора и уровня накачки. В резонаторах с плоскими зеркалами пички носят нерегулярный характер. В резонаторах со сферическими зеркалами последовательность пичков может быть вполне регулярной

незатухающей или же затухающей по постоянному уровню.

ОКГ с модуляцией добротности резонатора. В большинст-

ве твердотельных лазеров имеются устройства, предназначенные для управления кинетикой процессов генерации. Это лазерные затворы и модуляционные устройства. Распространенными являются электрооптические, акустооптические, оптико-механи-ческие и пассивные затворы. Изменение добротности резонатора, осуществляемое затвором, позволяет получать заданные импульсные режимы работы лазера. Электрооптические затворы наиболее распространены, так как наилучшим образом согласовывают во времени процессы накачки, генерации и изменения добротности. Однако при использовании таких затворов необходимо применение специальных радиоэлектронных схем формирования высоковольтных импульсов наносекундной длительности. Акустооптические затворы управляют добротностью резонатора с высокой частотой при различных размерах модулируемых лазерных пучков. В тех случаях, когда не требуется особого быстродействия, применяют оптико-механические затворы. Пассивные затворы используют, когда частота следования моноимпульсов невелика, а время появления моноимпульса излучения некритично.

160

Способы модуляции добротности. Модуляция добротности ОКГ может быть осуществлена разными способами:

I.C помощью вращающегося зеркала, как на рис. 7.29, где 1

—выходное неподвижное зеркало; 2 — вращающееся зеркало; 3

—активный кристалл.

Когда зеркало 2 расположено под углом к зеркалу 1, добротность резонатора мала. В некоторый момент времени зеркала оказываются параллельными, добротность резонатора резко возрастает и ОКГ излучает мощный импульс света. Скорость вращения зеркала должна быть не ме-

нее 20 000 – 70 000 об/мин,

время переключения добротности составляет 10–

Рис. 7.30

Для управления добротностью с более высокими скоростями используют электрооптические затворы, основанные на использовании эффектов Керра, Поккельса, Фарадея.

Эффект Керра — искусственная оптическая анизотропия в

жидкости.

Эффект Поккельса — оптическая анизотропия в кристаллах. Эффект Фарадея — влияние магнитного поля на магнитооп-

тические затворы. Основным элементом такого затвора является