Лабы / твердотельный лазер

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Лабораторная работа

«Твердотельный лазер»

Выполнили:

Студенты группы Б18-211

Володин Павел

Малявина Александра

Мартьянов Матвей

Цель работы: ознакомление с принципом работы, конструкцией и методикой юстировки резонатора твердотельного лазера на примере лазера на рубине, неодимовом стекле или железо-иттриевом гранате, активированном ионами неодима; знакомство со способами детектирования и измерения энергии излучения; исследование зависимости энергии оптического импульса от энергии накачки и угловой разъюстировки зеркал резонатора.

Введение

Твердотельными называют лазеры, активное вещество которых представляет собой твердый диэлектрик - кристалл или стекло, в который введены активные центры в качестве изоморфных примесей. Диэлектрик называют матрицей, а примесь - активными центрами (активатором). В сравнении с газовыми лазерами твердотельные лазеры компактнее, имеют высокое усиление, слабую эффективность накачки и небольшой КПД.

Устройство простейшего твердотельного лазера

Простейший лазер состоит из излучателя, глухого зеркала, квантрона и выходного зеркала.

Рис. 1. Оптическая схема излучателя простейшего твердотельного лазера:

1 — излучатель; 2 — глухое зеркало; 3 — квантрон; 4 — выходное зеркало

Глухие зеркала могут быть выпуклыми (неустойчивый резонатор) и вогнутыми (устойчивый резонатор). Выходные зеркала обычно плоские с коэффициентом пропускания 10 ~ 20 %. Внутри излучателя помещается квантрон, внутри которого находиться отражатель, активный элемент и лампа накачки. Отражатель изготавливают из монолитной заготовки легированного европием кварцевого стекла в форме эллиптического цилиндра. В отражателе параллельно оси просверлены два отверстия, расположенные в фокусах эллипса, внутри которых помещают активный элемент и лампу накачки.

Активная среда твердотельных лазеров

Активными примесями в диэлектрических кристаллах являются ионы элементов переходных групп: железа, палладия, платины и редкоземельных элементов. Из-за наличия внутренних частично заполненных электронных оболочек.

Данные электронные конфигурации отвечают электронному состоянию неодима с минимальной энергией электронов в самосогласованном поле атомного ядра и электронного остатка. Учет энергии нецентрального взаимодействия электронов друг с другом приводит к расщеплению энергии электронного состояния на ряд термов имеющих обозначение:^2S+1L, где L - суммарное орбитальное, а S - суммарное спиновое число электронной оболочки. 2S+1 - мультиплетность терма, равная числу компонент тонкой структуры, если S ≤ L, если S > L число компонент равно 2L+1.

Первое правило Хунда: минимальной энергией обладает терм с максимально возможным S, а при данном S - с максимально возможным L.

Спин-орбитальное взаимодействие расщепляет каждый (2S+1) (2L+1) - кратно вырожденный терм на (2S+1) энергетических уровня с суммарным квантовым числом момента импульс J. При этом каждый уровень вырожден с кратностью 2J+1

Уровни неодимового лазера имеют привычную классификацию по типу L-S связи, потому что поле слабое и расстояние между уровнями свободного иона больше величины штарковского расщепления. Влияние поля учитывается в виде поправки на штарковское смещение и расщепление компонент тонкой структуры.

Рис. 2. Типичные схемы твердотельных лазеров: а — трехуровневая (τ₂<<τ₁) б — четырехуровневая (τ₁τ₃<<τ₂)

Неодимовый лазер описывается по четырехуровневой схеме. Отличие четырехуровневой схемы от трехуровневой состоит в наличии нижнего лазерного уровня, не совпадающего с основным состоянием, но связанным с последним быстрой безызлучательной релаксацией с временем τ₁ Населенность в таких системах достигается проще, чем в трехуровневых лазерах, и накачка расходуется на усиление и генерацию, а не только на поддержание инверсии.

Общие требования предъявляемые к активным средам:

• Наличие метастабильного уровня, который может служить верхним уровнем лазерного перехода.

• Наличие широких полос поглощения с высоким квантовым выходом возбуждения.

• Желательно, чтобы полосы поглощения вещества лежали как можно ближе к верхнему лазерному уровню. Т.к. при релаксации из полосы поглощения на метастабильный уровень часть энергии передается фононами кристалла, что сопровождается снижением КПД и нагревом кристалла.

• Частотное расстояние между основным и нижнем лазерным уровнем должно быть минимальным, но превышать в 5-10 раз величину kT, чтобы избежать теплового заброса частиц на нижний уровень.

• Активное вещество должно поддаваться обработке, быть достаточно прочным и прозрачным для излучения на частотах генерации и накачки, а также обладать высокой теплопроводностью.

Источники накачки

Для возбуждения твердотельных лазеров используют оптическую накачку. Для накачки необходимы достаточно интенсивные источники света, спектрально согласованные с полосами поглощения активных центров. Эффективные температуры излучения 5000 ~ 10000 K. Для улучшения КПД лазеров на лампы можно наносить селективно-отражающие покрытия, выпускающие свет из колбы лампы на нужной длине волны. Также можно использовать селективные источники накачки, например, полупроводниковые диоды, однако их большой показатель преломления (n = 3.3 ~ 3.5) негативно влияет на внешний квантовый выход излучения (который составляет 40 ~ 50%), что в свою очередь сказывается на КПД. Другое важнейшее свойство полупроводниковых диодов — сравнительно узкий спектр излучения (2 ~ 7 нм), благодаря этому их излучение хорошо согласуется с одной из ИК-полос поглощения ионов Nd³⁺.

Режим работы твердотельных лазеров

По характеру управления различают пять видов генерации:

• режим свободной генерации (длительность импульсов мала по сравнению со всеми характерными временами);

• режим модулированной добротности (короткие излучения большой мощности (107 – 1010 Вт));

• режим синхронизированных мод (последовательность сверхкоротких импульсов);

• режим разгрузки резонатора;

• режим сдвоенной модуляции (объединяет в себе режимы синхронизированных мод и модулированной добротности).

Лазер на неодимовом стекле

Рис. 3. Упрощенная схема уровней иона Nd3+ в матрице АИГ

Описание установки

Рис. 4. Схема лабораторной лазерной установки: 1 — квантрон; 2 — глухое зеркало; 3 — полупрозрачное зеркало; 4 — коллиматор; 5 — ФЭК; 6 — осциллограф; 7 — датчик; 8 — измеритель мощности

Задание 1. Нахождение порога генерации лазера. Получение зависимости порога генерации от угла разъюстировки зеркал.

а) φ = -4" б) φ = 0"

в) φ = +2" г) φ = +12"

Рис. 5. Снимки экрана осциллографа при наблюдении пороговой генерации для разных значений угла φ разъюстировки зеркал

Рис. 6. Зависимость величины порога генерации от угла разъюстировки зеркал

Задание 2. Получение зависимости энергии световых импульсов лазера от энергии накачки. Расчет КПД лазера.

E_{накачки} = СU²/2, где С=560 мкФ – емкость конденсатора, U – его напряжение.

КПД = Е_{импульсов}/Е_{накачки}

Рис. 7.

Рис. 8.

Задание 3. Расчет количества прохождений луча через резонатор в зависимости от угла разъюстировки.

Условие нахождения луча в резонаторе:

2L⅀^N_n=1tan(2φn) = d/2,

где L = 130 мм – длина резонатора, φ – угол разъюстировки, 2N – количество прохождений луча через резонатор, d = 4,5 мм – диаметр линзы.

Рис. 9.

Заключение

В данной работе изучался твердотельный лазер на неодимовом стекле, производилась юстировка его резонатора. Находилась минимальная энергия порога генерации, исследовалась зависимость энергии оптического импульса от энергии накачки и рассчитывалось значение КПД лазера.

В первом задании для различных значений угловой разъюстировки зеркал резонатора добивались пороговой генерации лазера и фиксировались снимки экрана осциллографа (рис. 5) для данных значений. Затем был построен график зависимости величины порога генерации от угла разъюстировки зеркал (рис. 6) и определен угол, при котором наблюдается минимальный порог генерации: φ = +1", при энергии накачки E_мин = 191 Дж. (напряжение конденсатора U = 825 В)

Во втором задании снималась зависимость энергии накачки от энергии оптических импульсов (рис. 7), после чего строился график зависимости КПД лазера в зависимости от энергии накачки (рис. 8). Для энергии накачки Е_{накачки} = 481 Дж (при напряжении конденсатора U = 1310 В) КПД ≈ 7*10^-2%.

В третьем задании рассчитывалось количество проходов луча через резонатор, прежде чем он выйдет за его пределы. C помощью python3 была расчитана и построена зависимость количества проходов от угловой разъюстировки зеркал. Для угла разъюстировки φ = 2" количество прохождений N = 86.