ФОТ_ЛР3 / KOE1282_ЛР3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра фотоники

отчет по лабораторной работе № 3 по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» Тема: «СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ»

Студенты гр. 1282 ____________________ ____________________ ____________________ В. . Преподаватель ____________________ Дегтерев А.Э.

Санкт-Петербург 2024

Лабораторная работа №3

Тема: «СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ»

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

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В качестве материалов активных элементов твердотельных лазеров применяются кристаллические или аморфные активированные диэлектрики. Использование твердых веществ в качестве активной лазерной среды позволяет достичь высокой концентрации активных частиц и, следовательно, получить большую оптическую мощность с единицы объема активного элемента. В то же время практически единственным методом возбуждения таких лазеров является оптическая накачка.

Необходимость использования в твердотельных лазерах оптической накачки предъявляет ряд требований к материалам активных элементов: наличие широких полос поглощения в области излучения источника накачки, отсутствие паразитного поглощения на частоте рабочего перехода и сохранение высоких оптических свойств в процессе работы.

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 рисунке 1.

Рисунок 1 – Диаграмма энергетических уровней Cr³⁺ в Al₂O₃ и схема работы рубинового лазера

Для Cr³⁺: Al₂O3 реализуется случай так называемого среднего кристаллического поля. При этом возмущающее действие поля кристаллической матрицы оказывается больше спин-орбитального взаимодействия электронов, что приводит к разрыву LS-связи. В результате энергетические уровни Cr³⁺ в решетке корунда существенно меняют свою конфигурацию по сравнению со свободными ионами и могут быть значительно уширены. Из рисунка 1 видно, что лазер на рубине работает по трехуровневой схеме первого типа.

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. Накачка неодиомового лазера происходит с помощью оптических переходов с уровня ⁴I_9/2 (основное энергетическое состояние Е₀) на вышележащие уровни F и Р (Е₃). Излучение на длине волны λ = 1,06 мкм происходит при переходах с ⁴F_3/2 на ⁴I_11/2 (Е₂→Е₁). Канал генерации полностью разделен с каналом накачки, и лазер работает по четырехуровневой схеме, что снижает пороговое значение энергии накачки.

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

Для исследования оптического поглощения в работе используется универсальный спектрометр SPECOL-11, позволяющий проводить исследование пропускания, отражения, флуоресценции и ряда других процессов. Прибор оснащен микропроцессором для автоматизации измерений.

Оптическая схема установки изображена на рисунке 4. Источником оптического излучения служит галогенная лампа 1, испускающая свет в широком диапазоне длин волн. Для получения монохроматического излучения используется решеточный монохроматор 2. Излучение из выходной щели монохроматора через набор сменных диафрагм 3, предназначенных для ограничения апертуры пучка, фокусируется линзой 4 через каретку для образцов 5 и фильтр 6 на один из сменных вакуумных фотоэлементов 7.

Рисунок 2 – Оптическая схема установки для измерения спектров пропускания

Каретка с образцами имеет два фиксированных положения: в одной позиции в пучок лучей вводится эталон (Э), в другой – исследуемый образец (О). В качестве эталона при измерении пропускания применяется окно в непрозрачном для света материале такой же площади, как и отверстие держателя образца. Таким образом, в положении «эталон» сигнал с нагрузки фотоэлемента пропорционален интенсивности падающего на образец света, а в положении «образец» – интенсивности излучения, прошедшего через образец. Введение образца или эталона в пучок света осуществляется вручную горизонтальным перемещением каретки.

Электрическая часть прибора состоит из стабилизированного блока питания галогенной лампы, схемы питания фотоэлементов и автоматизированной схемы обработки сигналов с микропроцессором. Для повышения чувствительности спектрометра вместо фотоэлементов к прибору может быть подключен фотоэлектронный умножитель, питание которого осуществляется от дополнительного высоковольтного блока питания.

Вывод данных осуществляется четырехразрядным цифровым индикатором на передней панели справа. Под индикатором расположены две группы клавиш: «Режим измерения» (шесть кнопок слева) и «Ввод данных». Кнопки группы «Режим измерения» служат для выбора исследуемого параметра: «Т» – коэффициента пропускания, «Е» – экстинкции и т. д. Одновременно может быть измерен только один параметр. Для сигнализации о выбранном режиме служат светодиоды над соответствующей кнопкой. В лабораторной работе из этой группы клавиш используется только кнопка «Т».

ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. По экспериментальным данным, представленным в таблицах 1 и 2, построим графики зависимостей коэффициента пропускания от длины волны излучения на рисунках 5 и 6 соответственно. Используя формулу (1), проведем расчет значений показателя поглощения, независящего от частоты.

(1)

где - показатель преломления вещества (рубин – 1,76; неодимовое стекло – 1,55), - показатель преломления вакуума.

Таблица 1 – Экспериментальные результаты зависимости коэффициента пропускания (T) для рубина

	345	350		355		360		365		370		375		380		385		390		395		400
	23,6	17,7		21,5		16,9		12,8		9,2		7,1		0		3,5		3,1		3,2		3,4
	405		410		415		420		425		430		435		440		445		450		455		460	465
	4,8		5,2		7		11,5		15,8		21,1		26,3		31,3		35,1		37,6		36		37,3	38,1
	470		475		480		485		490		495		500		505		510		515		520		525	530
	38,3		37,8		35,7		33,8		31,5		28,4		25,9		23,6		21,4		18		17,4		16,8	16,1
	535		540		545		550		555		560		565		570		575		580		585		590	595
	15		15,6		16,6		17,5		19,1		20,3		22,5		25,9		27,3		30,3		31,8		33,7	36,1
	600		605		610		615		620		625		630		635		640		645		650		655	660
	35,1		36,2		38,5		32,1		32,8		40,7		42,3		40,7		39,4		42,1		43,1		39,2	40,1
	665		670		675		680		685		690		695		700
	40,2		42,0		43,3		40,0		42,4		44,5		43,3		43,6

Таблица 2 – Экспериментальные результаты зависимости коэффициента пропускания (T) неодимового стекла

	500	502	504	506	508	510	512	514	516	518	520	522	524
	9,8	8,6	8,8	8,5	8,0	7,3	6,1	4,5	3,8	3,5	4,1	5,3	7,6
	526	528	530	535	540	545	550	555	560	562	564	566	568
	10,9	17,3	17,7	23,7	25,4	24,9	19,9	10,2	2,2	1,0	0,2	0,1	0,1
	570	572	574	576	578	580	582	584	586	588	590	592	594
	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,3	0,6	1,1	2,2	3,7	5,4	6,7	8,3
	596	598	600	605	610	615	620	625	630	635	640	645	650
	9,9	11,9	14,8	22,1	27,1	26,9	28,4	32,8	35,1	35,9	35,0	36,4	35,8
	655	660	665	670	675	680	685	690	695	700	705	710	715
	32,2	32,1	29,5	25,1	27,5	31,7	35,1	37,5	37,8	37,3	34,9	33,1	24,7

Продолжение таблицы 2

	720	725	727	729	731	733	735	737	739	741	743	745	750
	10,4	2,2	1,1	0,5	0,5	0,7	1,1	2,0	3,3	5,3	7,9	11,2	18,2
	755	760	765	770	775	777	779	781	783	785	787	789	791
	23,1	26,0	23,4	13,2	7,2	5,4	3,8	2,6	1,8	1,1	0,8	0,5	0,4
	793	795	797	799	800
	0,5	0,9	1,5	2,6	3,5

Теперь построим графики:

Рисунок 3 - График зависимости коэффициента пропускания от длины волны излучения для рубина

Рисунок 4 – График зависимости коэффициента пропускания от длины волны излучения для неодимового стекла

Необходимо рассчитать показатели поглощения по формуле (1):

1. 

2. 

2. Рассчитаем показатель поглощения, используя формулу (2). Приведем пример расчета. Полученные данные представим в таблицах 3 и 4 соответственно. На рисунках 7 и 8 построим спектры поглощения для рубина и неодимового стекла.

(2)

где d – толщина образца, см.

Толщина рубина: d = 0,9 [см]; толщина неодимового стекла: d = 1,1 [см].

Таблица 3 – Расчетные значения показателя поглощения для рубина

	345		350	355	360	365		370		375		380		385		390		395		400
	1,43		1,75	1,53	1,80	2,11		2,48		2,76		4,94		3,55		2,96		3,65		3,58
	405	410		415	420	425	430		435		440		445		450		455		460		465
	2,88	2,80		2,50	2,01	1,69	1,40		1,18		1,00		0,89		0,82		0,86		0,83		0,81
	470	475		480	485	490	495		500		505		510		515		520		525		530
	0,80	0,82		0,87	0,93	1,00	1,10		1,19		1,29		1,38		1,56		1,59		1,63		1,67
	535	540		545	550	555	560		565		570		575		580		585		590		595
	1,74	1,70		1,64	1,59	1,50	1,44		1,33		1,19		1,14		1,04		0,99		0,93		0,86
	600	605		610	615	620	625		630		635		640		645		650		655		660
	0,89	0,86		0,80	0,98	0,96	0,74		0,70		0,74		0,77		0,71		0,68		0,78		0,76
	665	670		675	680	685	690		695		700
	0,75	0,71		0,68	0,76	0,70	0,65		0,68		0,67