ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-8

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 8: Системы накачки (1) Оптическая накачка

Системы накачки

Накачка лазеров. Только в самом первом мазере на аммиаке для создания инверсии использовалось разделение частиц по состояниям. С учетом того, что при обычных температурах большая часть частиц находится в основном состоянии, Как это следует из уравнения Больцмана:

( Ni=No×exp(- (Ei- Eo)/kT) → Ei > Eo → No >> Ni

эффективность «сепарации» очень невелика. Гораздо привлекательнее и эффективнее оказалось

Увеличивать населенность верхних лазерных уровней с помощью подвода энергии извне. Этот процесс и получил Название «накачка». Обычно рассматривают следующие виды накачки: оптическая, электрическая, химическая и

тепловая (газодинамическая). Выбор типа накачки зависит, во-первых, от свойств лазерной среды, а также определяется различными другими обстоятельствами. Например, для твердотельных лазеров, где в качестве рабочего тела используются диэлектрические кристаллы и стекла оптическая накачка является единственным средством возбудить частицы по всему объему активной среды. В свою очередь и сам тип накачки также может разделятся на разные способы. Так для частиц с большим уширением спектральных линий (полос) вышележащих уровней энергии могут использоваться широкополосные источники света, такие как импульсные газоразрядные лампы. Тогда как для систем с узкополосными уровнями энергии больше подходит накачка лазерным излучением при условии, что длина волны лазера накачки совпадает с линией поглощения активной среды.

Электрическая накачка осуществляется с помощью электрического разряда (обычно в газах), пропусканием электрического тока (в полупроводниках), потоком электронов или других заряженных частиц.

Химическая накачка используется в газовых лазерах и с ее помощью можно обеспечить высокие мощности в непрерывном и высокие энергии в импульсном режимах. Газодинамическая накачка используется в СО2 и СО лазерах и может обеспечить высокие мощности излучения в непрерывном режиме.

Оптическая накачка (1)

Оптическая накачка некогерентными источниками Наиболее интенсивные полосы поглощения в энергетическом спектре большинства активных

сред расположены в видимой области спектра и прилегающих к ней участках ИК и УФ диапазона. Поэтому основное требование, предъявляемое к характеристикам излучения источника накачки – необходимость излучения большей части энергии именно в этих областях спектра. Как следует из соотношения между коэффициентами спонтанного и вынужденного

излучения Аmn/Bmn = 8πν3kT/c3 → Аmn/Bmn = 8πkT/λ3, оно резко возрастает с уменьшением длины волны, чем обуславливаются трудности создания коротковолновых лазеров с оптической накачкой.

Поскольку длина волны излучения накачки должна быть меньше длины волны лазера, то для накачки ТТЛ требуются источники, излучающие в

коротковолновой области. Проинтегрировав по

всему спектру формулу Планка получается соотношение, известное, как закон СтефанаБольцмана: q = 0∫∞ρνdν = δT4, где δ – постоянная Стефана-Больцмана. Условие максимума известно

как формула Вина: λmax×T = 2.9×10-3 м×К. Можно сосчитать, что при температуре 3000К большая

часть энергии излучения заключено в ИК диапазоне, поэтому тепловые источники (лампы накаливания) малоэффективны как средство накачки лазеров. Эффективные температуры излучения в 5000… 10000К реализуются с помощью газоразрядных ламп, обычно использующих Xe или Kr. Лампы могут быть как импульсными, так и непрерывными (дуговыми).

Выбор оптической схемы накачки зависит от требований, предъявляемых к лазеру. ———>

Оптическая накачка (2)

Импульсные лампы широко используются для накачки импульсных твердотельных лазеров. Они доступны в широком диапазоне длин канала разряда (от нескольких сантиметров до более метра, хотя длина канала разряда 5-10 см

является наиболее распространѐнной),

диаметрах канала разряда (как правило, в диапазоне 3-20 мм), толщин стенок (обычно 1-2 мм) и форм (линейная, спиральная). Импульсные лампы для накачки твердотельных лазеров, как правило, заполнены инертным газом. Например, ксеноном или криптоном при давлении 300-400 торр. Два электрода запаяны в изготовленную, как правило, из кварца, колбу. Электрический разряд, который возникает между электродами, имеет очень большую величину импульсного тока, который является причиной интенсивной вспышки. Электрическая энергия, разряжаемая через лампу, хранится в конденсаторе или группе конденсаторов. Лампы заполненные ксеноном, производят более

сильное выходное излучение по сравнению с лампами, заполненными криптоном для одинаковых входных величин электропитания. Криптон, однако, предлагает лучшее согласование по спектру, в особенности с Nd: YAG лазерами. То есть, спектр излучения криптоновой импульсной лампы лучше согласован со спектром поглощения Nd: YAG лазера. Спектры излучения ксеноновой и криптоновой импульсных ламп и спектр поглощения Nd: YAG

лазера соответственно (сверху вниз) изображены на рисунках.

Оптическая накачка (3)

Дуговые лампы используются для накачки непрерывных твердотельных лазеров. Так же как импульсные лампы, дуговые лампы являются газоразрядными устройствами.

Очень хорошо подходят для накачки твердотельных лазеров линейные дуговые лампы. Они очень похожи на линейные импульсные лампы, за исключением конструкции

электродов. Как видно из рис, в дуговых лампах используют остроконечные катоды, а не

скругленные, используемые в импульсных лампах. Дуговые лампы заполняют ксеноном или криптоном под давлением 1-3 атм. Криптоновые линейные дуговые лампы являются более распространенными, поскольку их выходной спектр является относительно лучшим по спектральному соотношению к полосе поглощения Nd: YAG лазера. Диаметры канала разряда 4-7mm и длины канала разряда в диапазоне от 50-150mm являются наиболее применяемыми.

Однако, полезная эффективность накачки, введѐнной для возбуждения генерации частиц, является определенно ниже в случае широкополосной оптической накачки,

обеспечиваемой импульсными и дуговыми лампами. Оптическая накачка на одной длине

волны, соответствующей уровню поглощения лазера, достигает относительно более высокой эффективности, что приводит к повышению общей эффективности лазера.

Оптическая накачка (4)

Системы накачки (продольная накачка)

Излучение накачки фокусируется в А/С в пятно 0.1…1 мм кругового сечения) Три наиболее распространенные конфигурации:

а) накачка с одного конца стержня в плосковогнутом резонаторе б) накачка с двух концов стержня для кольцевого резонатора сложенного типа

в) накачка с двух концов стержня для z-образного линейного резонатора

Оптическая накачка (5)

Оптическая накачка (поперечные схемы) Простейший осветитель представляет из себя цилиндр эллиптического сечения, вдоль фокальных осей которого установлены лампа и активный элемент лазера в форме стержня изнутри цилиндр покрывается высокоотражающими покрытиями. Альтернативой может быть т.н. плотная упаковка и диффузно отражающей керамики. В результате эффективность такой схемы не хуже цилиндра, а равномерность освещения активной среды выше. Кроме того такая схема много компактнее. Развитием этих схем для двух ламповых систем накачки и многоламповых показана на остальных рисунках. При использовании активной среду в виде многих элементов их раполагают под углом Брюстера. Подобную конструкцию применяют для широкоапертурных систем с активной средой из стекла с неодимом. В них можно обеспечить эффективное охлаждение АС водой или воздухом. Подобную конструкцию применяют для экспериментов по лазерному термоядерному синтезу

Оптическая накачка (7)

Накачка лазерным излучением используется уже давно. Так аргоновые (Ar+) лазеры широко используются для накачки непрерывных лазеров на красителях и на титане с сапфиром (Ti3+:Al2O3); эксимерные, азотные лазеры и лазеры на парах меди используются для импульсной накачки лазеров на красителях; излучение Nd:YAG лазера и его вторая гармоника используются для накачки непрерывных и импульсных лазерах на красителях и ТТЛ. Однако особую важность накачка лазерным излучением приобрела после появления и широкого распространения диодных лазеров с высокими КПД и мощностью для ТТЛ:

•Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4, или стекле с Nd, накачиваемые λнак~ 800 нм GaAs/AlGaAs п/п

лазерами на основе гетероструктур с квантовыми ямами (λлаз~ 1 мкм, 1.3 мкм, 0.95 мкм)

•Yb:YAG, стекле с Er или с Yb:Er, накачиваемые λнак~ 950…980 нм InGaAs/GaAs п/п лазерами на основе гетероструктур с напряж. квантовыми ямами (λлаз~ 1 мкм для Yb и 1.54 мкм для Er)

•александрит (Cr:BeAl2O4), Cr:LiSAF или Cr:LiCAF, накачиваемые λнак~640…680нм GaInP/AlGaInP

п/п лазерами на основе гетероструктур с квантовыми ямами (λлаз~ 840 нм с шириной в 130 нм)

•Tm:Ho:YAG, накачиваемые λнак~ 785 нм AlGaAs п/п лазерами на основе гетероструктур с квантовыми ямами (λлаз~ 2.08 мкм с передачей возбуждения от Tm3+ к Ho3+

Оптическая накачка (8)

П/п лазеры для систем накачки 1а. Однополосковый п/п лазер

Сечение выход пучка имеет вид

эллипса с осями 1 мкм × 3…6 мкм Мощность ~ 100 мВт 1б. Линейка ОП п/п лазеров исп.

для больших мощностей. Состоит из 20 полосок (5 мкм×10 мкм) с

размером пучка излучения 1 мкм × 200 мкм и мощностью ~ 2 Вт

2а. Блок линеек п/п лазеров Следующий шаг – монолитный блок линеек. (~ 20 100 мкм линеек из 10 ОП п/п лазеров;

полная длина ~ 1 см, а суммарная мощность 10…20 Вт. 2б. Сборка блоков линеек п/п

Можно сформировать сборки из блоков линек с излучающей площадкой 0.2 см × 1 см при

пиковой мощности 1 кВт/см2 и средней до 100 Вт/см2

Перестройка и стабилизация длины волны лазеров осуществляется термоэлектрическим элементом Пельтье для маломощных устройств и с помощью жидкостного охлаждения для выскомощн. Температурная стабильность

~ 1◦С.

Оптическая накачка (6)

Системы накачки диодными лазерами

Поскольку сечение лазерного луча, выходящего из лазерной системы накачки далеко от кругового, необходимо принимать специальные меры для того, чтобы внутри лазерного стержня он имел размеры наиболее близкие к требуемым.

Эллиптичность сильно расходящегося пучка может быть скомпенсирована с помощью

комбинации из двух сферических линз и анаморфотной оптической системы (АОС) (а),

обеспечивающей различное расширение пучка вдоль двух осей эллипса. АОС из двух цилиндрических линз (б) требует специально рассчитанных и дорогих линз, чаще для этого используется пара призм со специально подобранными

коэффициентами преломления, чтобы обеспечить на выходе круговую апертуру (в). Можно также использовать многомодовое оптическое волокно, пройдя через которое некоторое расстояние пучок приобретет круговую апертуру. Для линеек, блоков и сборок используют последовательно несколько многомодовых волокн.