Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Ji~

Отражающее

покрытие

Рис. 20.8

тель, QQ - большая ось вращения эллипсоида. Лампа и актив­ ный кристалл располагаются вдоль оси QQ между соответст­

вующим фокусом и поверхностью эллипсоида. Лучи, испускае­ мые лампой левее фокуса F 1' будут фокусироваться в области

правее фокальной точки F 2 (см. рис. 20. 7). В этом случае прак­ тически весь световой поток лампы попадает на активный обра­

зец, и распределение интенсивности излучения на нем получа­

ется приблизительно таким же, как и на лампе.

В целях увеличения поглощения энергии накачки иногда ис­

пользуется торцевая накачка, при которой возбуждающее излу­

чение поступает в активный .кристалл через торцевую поверх­

ность и распространяется вдоль оси активного элемента, пред­

ставляющего собой рубиновый стержень с наращенным на него

сапфировым конусом (рис. 20.8). За счет полного внутреннего

отражения света от поверхности сапфирового конуса осуществ­

ляется концентрация световой энергии, падающей на торец ак­ тивного элемента, в кристалле рубина.

20.З. Рубиновый лазер

Первый лазер был создан в 1960 г. на основе искусственного кристалла рубина. Из твердотельных лазеров рубиновые в настоя­ щее время являются одними из наиболее распространенных. Ру­ бин отличается высокой химической стойкостью, механической прочностью и высокой теплопроводностью. Эти качества и обусло­

вили широкое использование рубина в лазерных устройствах. Рубин - это кристаллический минерал, основу которого со­

ставляет решетка Al20 3 с внедренными в нее трехзарядными иона-

ми хрома cr3+, которые замещают часть ионов алюминия Al3+. Со­

держание хрома, как правило, колеблется в пределах от 0,05 до

0,5%. Чем больше хрома, тем более красный оттенок имеет ру­ бин. Рубин может выращиваться искусственно. К кристаллам

рубина, используемым в лазерах, предъявляются жесткие тре-

бования по оптической однородности, размерам, составу, поэто­

му технология выращивания кристаллов рубина является весь­ ма прецизионной. В рубиновом лазере кристаллическая ре­

шетка А1203 является матрицей, а ионы хрома - активными

элементами, т. е. генерирующими центрами. Вследствие взаи­ модействия между ионами кристаллической решетки основной уровень иона хрома расщеплен на ряд подуровней. Схема энер­

гетических уровней иона Cr3+ в матрице Al20 3 приведена на

рис. 20.9, где энергия указана в см-1 (1 см-1 соответствует энер­

гии 1,24 • 10-4 эВ). Эта достаточно сложная система уровней

практически может быть приведена к классической трехуров­ невой квантовой системе.

Длины волн для середин полос поглощения равны 0,56 мкм

(560 нм) для нижнего уровня 3 и О,41 мкм (41 О нм) для верхнего

уровня 3, а ширина каждой из них составляет около 0,1 мкм

(100 нм). Поглощение в рубине зависит от направления распрост­

ранения света относительно оптической оси кристалла. Ионы

хрома, поглощая энергию накачки в зеленой (Л, ~ 0,56 мкм) и си­ ней (Л, ~ 0,41 мкм) полосах оптического спектра, переходят в воз­ бужденное состояние. Спектр поглощения рубина представлен на рис. 20.10, где две кривые соответствуют двум направлениям па­

дающего излучения относительно оптической оси кристалла ( 11 -

падающий свет параллелен оси кристалла, _l_ - падающий свет

перпендикулярен оси кристалла). Время жизни ионов хрома Cr3+

в состояниях 3 (см. рис. 20.9) составляет 5 • l0-8 с. Основная часть

~О">

~16 С';!

Наиболее интенсивная полоса поглощения с максимумом Л =

=0,58 мкм имеет ширину около 0,002 мкм. Полосы с Л ~ 0,81 мкм

и0,88 мкм очень удобны для накачки полупроводниковыми ла­

зерами и светодиодами на основе арсенида галлия. Возбужден­

ные за счет энергии источника накачки ионы неодима на уров­

нях 3 быстро переходят на метастабильный уровень 2, время

жизни которого велико ('t24 = 0,23 мс), и накапливаются на нем,

создавая инверсию населенностей относительно уровня 4.

Рабочие лазерные переходы с уровня 2 возможны в состоя­

ние 411512 , 411312 , 4! 1112 , 41912 , но наиболее сильным является пе--

реход 4F 312 - 411112 (на уровень 4) с длиной волны Л = 1,06 мкм.

Нижний рабочий лазерный уровень 4 расположен примерно на

0,25 эВ выше основного уровня 1. Быстрый безызлучательный переход с уровня 4 в основное состояние 1 обеспечивает эффек­

тивное опустошение нижнего рабочего уровня и повышает ин­

версию :населенностей между уровнями 2 и 4. Такая схема пере­

ходов и определяет четырехуровневый характер генерации из­

лучения неодимового лазера.

Энергетический зазор в 0,25 эВ между уровнями 1и4 суще­

ственно больше энергии kT (kT = 0,026 эВ при Т = 300 :К), поэто­

му уровень 4 при комнатных температурах в равновесном со­ стоянии: (в отсутствие накачки) практически не населен и для

достижения инверсной населенности на переходе 2 - 4 требует­

ся срав:в:ительно небольшая энергия в отличие от трехуровневой

схемы рубинового лазера. Пороговая инверсная населенность второго уровня, при которой в четырехуровневом лазере воз­

можна генерация, определяется в основном потерями в резо­

наторе. В неодимовом лазере верхний рабочий уровень 2 рас­ щеплен на два подуровня, а нижний уровень 4 - на шесть поду­

ровней (не показа:в:ы на рис. 20.11). В результате йзлучение на

длине волны Л = 1,06 мкм имеет сложную (тонкую) структуру.

Наиболее сильная линия имеет полосу около 195 ГГц при ком­ натной температуре.

Процесс развития генерации излучения в неодимовом лазере реализуется так же, как и в других типах лазеров. Когда населен­

ность уровня 2 превысит пороговую величину, в резонаторе лазера

усиливаются волны на частоте рабочего перехода. Под действием

возникшего перво:в:ачального поля излучения ионы неодима со­

вершают индуцированные излучательные переходы 2 - 4, а затем с уровня 4 безызлучательно переходят в основное состояние. На-

личие промежуточных уровней (уровни между 2 и 4) не особенно

сказываете.я на характере описанных процессов, пос:коль:ку веро­

ятности переходов на эти уровни относительно невелики.

Недостатком лазеров на основе вольфрамата :кальция .являет­ е.я необходимость :компенсации с помощью одновалентных ионов

щелочных металлов неравновесного заряда в решетке, :который

возникает вследствие того, что трехвалентные ионы неодима за­

мещают в узлах решетки двухвалентные ионы :кальция. Возни­

кающие вследствие этого локальные эле:ктричес:кие пол.я приво­

дят :к неконтролируемым сдвигам энергетических уровней ионов

неодима, что вызывает увеличение пороговой энергии. :Компен­

сация заряда с помощью ионов щелочных металлов снижает уве­

личение пороговой мощности почти на пор.ядо:к.

Активна.я среда на основе УAG с примесью неодима

(YAG: Nd3+) в значительной мере лишена недостатков, прису­

щих вольфрамату :кальция. В YAG: Nd3+ трехвалентные ионы

неодима заменяют трехвалентные же ионы иттрия, что исклю­

чает необходимость :компенсации неравновесного заряда и по­ этому снижает пороговую энергию возбуждения лазера. :Кроме того, :кристаллы граната обладают высокой теплопроводностью и малыми оптическими потерями. Благодаря указанным досто­

инствам лазеры на гранате работают :ка:к в непрерывном, так и

импульсном режиме генерации с большой частотой повторения импульсов и средней мощностью до нес:коль:ких сотен Вт.

К недостаткам всех :кристаллов, активированных редкими зем­

лями, относите.я отсутствие широких полос поглощения. Уровни 3 имеют незначительную ширину, поэтому использование ламповой на:кач:ки оказываете.я малоэффективным. Для увеличения эффек­

тивности на:кач:ки при использовании газоразрядных ламп на:ка-

ливани.я в :кристаллическую матрицу граната нар.яду с активны­

ми ионами вводят ионы другого вида, называемые сенсибилиза­ торами, :которые имеют широкие полосы поглощения. К таким

ионам относ.яте.я ионы Cr3+, :которые являются сенсибилизатора­ ми дл.я лазера YAG: Nd3+. Добавление сенсибилизатора приво­

дит :к расширению эффективной полосы поглощения излучения на:кач:ки :кристаллами граната с примесями, что повышает КПД

лазера.

Помимо :кристаллических матриц, широко используются ак­

тивные среды на основе стекол с примесью редкоземельных эле­

ментов, чаще всего Nd3+. Стекла .являются аморфными средами

и по сравнению с рассмотренными ранее обладают более высо-

Однако подобрать жидкость в качестве основы активной сре­

ды, удовлетворяющей таким требованиям, как интенсивная

флуоресценция с большим квантовым выходом на рабочем пе­

реходе, широкие полосы поглощения энергии накачки, отсутст­

вие потерь на частоте рабочего перехода, достаточно сложно. Многочисленные исследования различных жидкостей позволи­

ли реализовать лазерную генерацию лишь в относительно не­

большом их количестве, при этом лазеры на этих средах, как

правило, уступают твердотельным лазерам по своим рабочим

характеристикам, за исключением жидкостных лазеров на ор­

ганических красителях.

Эти лазеры не имеют аналогов с точки зрения возможности плавной перестройки длины волны генерации в очень широком диапазоне - во всей видимой области спектра, включая ближ­

ний УФ и ИК диапазоны, при этом реализуется излучение с

очень высокой монохроматичностью, достигающей 1... 1,5 МГц. Лазеры на органических красителях, работающие в импульс­

ном режиме, имеют энергию в импульсе до нескольких сотен

Дж и мощность в десятки Вт в непрерывном режиме генерации. КПД лазеров на органических красителях достигает десятков процентов при лазерной накачке.

В лазерах на красителях активное вещество создается на ос­ нове молекул органических красителей в органических раство­ рителях или воде. Органические красители обладают интенсив­

ными полосами поглощения в видимой области спектра, что и определяет их ~асыщенную окраску. Эти свойства краситель

проявляет как в жидких, так и в твердых растворах. В кристал­

лической фазе указанные свойства сильно ослабевают. Структу­ ра молекулы красителя содержит бензольные (С6Н6), пиридино­

вые (C6H 5N), азотные (C4H 4 N2) и другие кольцевые структуры. Наибольшее распространение в лазерах на органических кра­

сителях получил родамин 6G, структура которого представлена

на рис. 20.12. Энергетическая структура молекул органических

красителей включает разрешен-

стоянию полоса вращательных уровней. Полная энергия моле­

кулы с достаточной степенью точности может быть определена

как Е = Еэл + Екол + Евр• где Еэл• Екал• Евр - энергии электрон­

ных состояний и соответственно колебательного и вращатель­ ного движений атомов в молекуле.

Эти энергии :яаходятся в следующем соотношении:

Еэл: Екал: Евр= 1: Jт/М : (т/М),

где т - масса электрона, М - масса молекулы.

Отношение т/М лежит в пределах 10-3 -10-5 • Энергетиче­

ские уровни электронных состояний по порядку величины со­

ставляют 1... 3 эВ, колебательных - 10-2 ••• 10-1 эВ и вращатель­

ных -10-4 ••• 10-3 эВ.

Колебательные и вращательные уровни перекрываются друг

с другом, образуя энергетические полосы для определенных электронных состояний, которые являются мультиплетны:ми. Мультиплетность - это степень вырождения квантового со­

стояния атома или молекулы, характеризуемого заданным зна­

чением полного спинового момента. В лазерах на красителях используются две группы мультиплетных состояний: синглет­

ные (8) и триплетные (Т) состояния. Синглетные состояния

имеют антипараллельную ориента-

тических мультиплетных уровней

органического красителя представ­

лена на рис. 20.13, где показаны из­