Лабы по КОЭ / ЛР1 Спектры поглощения материалов активных элементов твердотельных лазеров

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Фотоники

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника»

Тема: СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

Студенты гр.
Преподаватель		Дегтерев А.Э.

Санкт-Петербург

202X

Цель работы

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

Описание 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 Рис. 1. 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 1 – Оптическая схема установки для измерения спектров пропускания

Обработка результатов

Вычислим показатели пропускания и поглощения для рубина (Табл. 1, Рис. 2, 3). Пример расчета:

Таблица 1 – Результаты измерения коэффициента пропускания и расчеты показателей поглощения исследованного образца рубина

𝜆, нм	T, %		𝜆, нм	T, %		𝜆, нм	T, %
342	26,2	51,32077	465	33,6	40,51697	585	29,6	46,02173
345	25,9	51,82092	470	34,2	39,74829	590	32	42,6359
350	22,2	58,5156	475	34,1	39,87546	595	32,8	41,56351
355	18,3	66,90579	480	31,9	42,77183	600	32	42,6359
360	14,4	77,31465	485	28,8	47,21165	605	33,9	40,13093
365	10,9	89,40825	490	27,6	49,05999	610	35,2	38,49663
370	7,7	104,5018	495	23,8	55,4932	615	35,7	37,88408
375	6	115,3358	500	21,9	59,10649	620	35,8	37,7626
380	0	0	505	20,4	62,18788	625	39,9	33,05361
385	2,9	146,9111	510	18,7	65,96674	630	41,3	31,55589
390	2,6	151,6536	515	17	70,10601	635	40,4	32,51276
395	2,5	153,3569	520	15,3	74,68176	640	40,1	32,83646
400	2,8	148,4351	525	14,1	78,22899	645	38,6	34,49217
405	3,6	137,5206	530	13,9	78,84942	650	39,8	33,16259
410	4,5	127,8296	535	13,6	79,79701	655	40,9	31,97857
415	6,3	113,2168	540	13,1	81,42377	660	39,8	33,16259
420	9	97,72665	545	14	78,5381	665	40,4	32,51276
425	12,9	82,09193	550	15,3	74,68176	670	39,9	33,05361
430	18	67,62365	555	15,2	74,96654	675	40,2	32,72829
435	23,2	56,6021	560	18	67,62365	680	39,3	33,71164
440	27,9	48,59048	565	20,2	62,61576	685	37	36,33073
445	30,3	45,00664	570	22,2	58,5156	690	38,5	34,60483
450	33,4	40,77625	575	25,1	53,18353	695	38	35,17254
455	34,6	39,24329	580	27,5	49,21763	700	38,2	34,94456
460	35	38,74409

Рисунок 2 – Зависимость показателя пропускания рубина от длины волны

Рисунок 3 – Зависимость показателя поглощения рубина от длины волны

Рисунок 4 – Диаграмма энергетических уровней в и схема работы рубинового лазера

Идентифицируем полосы поглощения с соответствующими переходами между энергетическими уровнями исследованного рубина.

Лазер на рубине работает по трехуровневой схеме первого типа (Рис. 4). Поглощение излучения накачки происходит в двух широких полосах U и Y с максимумами при 0,41 мкм и 0,55 мкм, соответствующих оптическим переходам из основного состояния ⁴А₂ в состояния ⁴F₁ и ⁴F₂ (Е₀→Е₂).

Экспериментально максимум полосы поглощения U приходится на λ = 0,395 мкм, а полосы поглощения Y приходится на λ = 0,54 мкм. После накачки происходит безизлучательная релаксация Е₂→Е₁ на уровни ²Е, с которых происходят вынужденные оптический переходы Е₁→Е₀ с генерацией излучения в линиях R₁ (694,3 нм), R₂ (692,9 нм).

Рассчитаем показатели пропускания и поглощения для стекла (Табл. 2, Рис. 5, 6). Пример:

Таблица 2 – Результаты измерения коэффициента пропускания и расчеты показателей поглощения исследованного образца стекла

𝜆, нм	T, %		𝜆, нм	T, %		𝜆, нм	T, %
500	23,9	58,02248	587	8,5	102,9204	720	29,1	49,47297
505	22	61,62	590	15,8	75,99656	725	7,1	110,7364
510	15,6	76,54981	595	24,2	57,48073	727	2,9	149,6225
515	9,6	97,63514	600	43,8	31,71485	729	1,2	187,9441
517	8,5	102,9204	605	63,8	15,3802	731	0,8	205,5533
519	9,7	97,18509	610	72,3	9,948436	733	1,1	191,723
521	13,5	82,82889	615	73,1	9,470528	735	1,7	172,8174
525	29,8	48,44064	620	75,7	7,952678	740	6,7	113,2548
530	52,3	24,0121	625	80,5	5,282678	745	19,2	67,53214
535	64,9	14,6378	630	83,5	3,693618	750	35,3	41,0848
540	68,4	12,35666	635	86	2,412421	755	47,9	27,82871
545	64,8	14,70477	640	87,2	1,810617	760	55	21,826
550	47,3	28,37615	645	87	1,91034	765	51,9	24,34553
555	19,6	66,63666	650	85,5	2,665654	770	36,9	39,15963
560	4,1	134,5839	655	81,6	4,69325	775	20,2	65,32713
562	1,7	172,8174	660	77,3	7,044316	780	7,9	106,0996
564	0,5	225,9653	665	71,4	10,49244	782	5	125,9653
566	0,2	265,7593	670	62,5	16,27426	784	3,1	146,7261
568	0,2	265,7593	675	60,7	17,5434	786	2	165,7593
570	0,2	265,7593	680	70,6	10,9818	788	1,3	184,4679
572	0,2	265,7593	685	81	5,013764	790	0,9	200,438
574	0,2	265,7593	690	95,2	-2,00143	792	0,8	205,5533
576	0,2	265,7593	695	96,7	-2,68038	794	0,9	200,438
578	0,3	248,1501	700	86,2	2,311539	796	1,6	175,4503
580	0,8	205,5533	705	83,4	3,745661	798	3,2	145,3473
582	1,8	170,335	710	76,4	7,55293	800	5,7	120,2748
584	5,2	124,2619	715	59	18,77706

Рисунок 5 – Зависимость показателя пропускания стекла от длины волны

Рисунок 6 – Зависимость показателя поглощения стекла от длины волны

Рисунок 7 – Упрощенная диаграмма энергетических уровней в стекле и схема работы неодимового лазера

Идентифицируем полосы поглощения с соответствующими переходами между энергетическими уровнями исследованного стекла.

Накачка неодимового лазера происходит с помощью оптических переходов с уровня ⁴I_9/2 (основное энергетическое состояние Е₀) на вышележащие уровни F и P (Е₃). Канал генерации разделен по четырехуровневой схеме, что снижает пороговое значение энергии накачки.

Плотность содержания и концентрация ионов хрома в образце рубина:

Рассчитаем коэффициенты Эйнштейна.

Выводы

В ходе выполнения лабораторной работы были исследованы поглощения в таких материалах, как рубин ( в матрице окиси алюминия и неодимовое стекло ( . Данные материалы используются в качестве активных элементов твердотельных лазеров.

Основой работы было снятие зависимости коэффициента оптического пропускания от длины волны . При обработке результатов эксперимента мы установили, что поглощение излучения накачки в двух полюсах U и Y с максимумами при 0,41 мкм и 0,55 мкм, соответствующих оптическим переходам из основного состояния ⁴А₂ в состояния ⁴F₁ и ⁴F₂ (Е₀→Е₂), относительно совпадает с экспериментальными значениями максимума полос поглощения. Максимум полосы поглощения приходится на , а полосы поглощения – на .

Также были посчитаны коэффициенты Эйнштейна:

По полученным значениям видно, что различия несущественны. Аналогично можно сделать вывод касательно интегрального поперечного сечения поглощения для в рубине: