ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-4

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 4: Кристаллы и стекла Дисковые лазеры

Диэлектрические кристаллы и стекла (1)

Энергетические уровни рубина

Лазерная генерация впервые была осуществлена на рубине – окиси алюминия или корунде с примесью трехвалентных ионов хрома (Al2O3:Cr3+), концентрация которых составляет 0,05% (1025 ионов в м3). Поэтому их взаимовлиянием можно пренебречь. Однако сильное электрическое поле в кристаллической решетке, создаваемое приводит к расщеплению некоторых уровней атомов хрома. Время жизни атомов Cr на верхних расщепленных уровнях Е3, Е4 ~ 10-8 с, а

на метастабильном верхнем лазерном уровне Е2 ~ 10-3

с. Соответствующая длина волны излучения для лазерного перехода Е2 → Е1 λ = 0.6934 (0.6943) мкм.

Квантовый КПД активной среды

ηкв=(Е2 - Е1)/ (Е3(Е4)- Е1)

Для рубина квантовый КПД ηкв ≈ 0.7

Однако условие N2>N1 является чрезмерно жестким и налагает серьезные требования на систему накачки. Типичные размеры искусственно выращенных кристаллов рубина - 5…10 мм в диаметре и до 350 мм в

длину. Длина ограничена технологическими трудностями

выращивания однородных заготовок, а диаметр – низкой теплопроводностью материала ρ ≈ 25 Вт/(м×К)

Диэлектрические кристаллы и стекла (2)

Энергетические уровни неодима

Схема переходов между уровнями энергии ионов неодима

Энергетические уровни неодима образуют четырехуровневую систему. Квантовый КПД ее несколько ниже чем для трехуровневой системы рубина и составляет ηкв ≈ 50%.

Время жизни возбужденных атомов на уровнях Е4 составляет 10-11…10-7 с, а на метастабильном уровне Е3 ≈ 10-3…10-4 с. С уровня Е3 частицы переходят на уровень Е2 излучая квант света с длиной волны 1.06 мкм. Время жизни на уровне Е2 ≈ 10-7 с обеспечивает его эффективное опустошение, так что лазерная генерация возникает даже при населенности уровня N3 много меньшей, чем уровня N1.

Содержание неодима в кристаллических матрицах может превышать 0.5%.

В качестве матриц наибольшее распространение получил иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) и стекло.

Теплопроводность ИАГ ρ ≈ 12 Вт/(м×К), стекла ρ ≈ < 1.0 Вт/(м×К). Размеры кристаллов ИАГ – 5…10 мм в диаметре, до 150 мм в длину. Стекло может быть изготовлено фактически любых размеров и формы.

Диэлектрические кристаллы и стекла (3)

Nd:YAG Лазеры

Среди неодимовых лазеров, Nd:YAG является наиболее важным и наиболее широко используемым

твердотельный лазерная из-за его высокого коэффициента усиления и хороших термических и механических свойств. Примеси трехвалентного иона неодима заменяют в решетке YAG трехвалентные ионы иттрия. Некоторые из его примечательных качеств включают твердость и устойчивость структуры от очень низких температур до точки плавления, хорошее оптическое качество и высокую теплопроводность матрицы. Кроме того, кубическая структура матрицы YAG обеспечивает узкую ширину линии что приводит к высокому коэффициентом усиления и низкому порогу

генерации. Nd: YAG имеет пики поглощения около 540 нм, 590 нм, 750 нм и 810 нм. Полосы погло-

щения вокруг 540 нм и 590 нм являются наиболее подходящими для накачки импульсными газоразрядными лампами, поскольку они излучают большое количество излучения в видимой области; полосы вокруг 750 нм и 810 нм подходят для накачки непрерывными дуговыми лампами, а полоса 810 нм идеальна для диодной накачкой Nd:YAG лазера. Длина волны лазерного излучения 1064нм.

Основные лазерные свойства Nd: YAG:

Концентрация ионов неодима (по массе) 0.725 %

Концентрация ионов неодима (по объему) 1.38×1020 атом см-3

Благодаря своим хорошим тепловым и оптическим свойствам, Nd: YAG лазеры могут быть использованы как в непрерывных режимах так и в режимах с высокой частотой повторения импульсов, а также в режимах с модуляцией добротности. В этих лазеров могут быть достигнуты средние и пиковые мощности, превышающие 1 кВт и 100 МВт, соответственно.

Упрощенная схема уровней энергии Nd:YLF лазера.

Сечение вынужденного излучения 1.2×10-19см2 (σ -поляризация), 1.8×10-19 см2 (π - поляризация)

Теплопроводность 0.06 ватт см-1 К-1 Длина волны излучения 1053 нм (σ -поляризация), 1047 нм (π - поляризация)

Основные полосы поглощения 792 нм, 797 нм и 806 нм Коэффициент преломления (1.06 мкм) 1.4481(σ -поляризация), 1.4704 (π - поляризация)

Излучение на 1053 нм соответствует пиковому коэффициенту усиления Nd:Glass лазера на фосфатном и фторфосфатном стекле. Это интересное совпадение делает Nd:YLF лазер весьма подходящим в качестве генератора для Nd:Glass лазерных усилителей в схемах, используемых для создания пиковых импульсов с модуляцией добротности очень высокой мощности, необходимых для термоядерных исследований.

Диэлектрические кристаллы и стекла (4)

Nd:YVO4 лазер

Лазер на ионе неодима с матрицей из ванадата иттрия интересен из-за некоторых свойств, делающих его особенно привлекательным для диодной накачки. Они включают в себя большое сечение вынужденного излучения и сильное широкополосное поглощение вокруг 808 нм. Высокий коэффициент усиления в Nd:YVO4 в сочетании с сильным поглощением излучения диодной накачки около 808

нм устраняют необходимость в больших размерах кристалла, что было серьезной проблемой в

ранних стадиях развития данного материала. Кристалл ванадата двулучепреломляющий, что значительно снижает термически наведенные поляризационные потери в высокомощных лазерах. Усиление Nd:YVO4 зависит от поляризации, более высокое вдоль оси кристалла (σ –поляризация). Поглощение излучения накачки также зависит от поляризации. Основная длина волны составляет 1064 нм. По сравнению с YAG, YVO4 при диодной накачке гораздо лучше поглощают излучение лазерных диодов и обладают высоким сечением усиления. Ширина полосы накачки гораздо шире, чем у YAG, полоса усиления порядка 1нм.

Несмотря на то, что теплопроводность YVO4 меньше, чем у YAG, зависимость показателя преломления от температуры выражена у YVO4 слабее, что снижает эффекты термолинзы при больших мощностях накачки. Из-за очень большого усиления, лазеры на YVO4 обладают низким порогом генерации. В режиме модуляции добротности Nd:YVO4 лазеры дают меньшие энергию в импульсе, чем Nd:YAG лазеры, что обусловлено меньшим временем жизни верхнего лазерного уровня и высоким

Диэлектрические кристаллы и стекла (5)

Nd:Glass лазеры

Nd:Glass лазер является еще одним важным неодимовым лазером. В то время как Nd:YAG в

основном известны высоким коэффициентом усиления и хорошими тепловыми и

механическими свойствами, активные элементы Nd:Glass могут выращиваться в больших размерах (стержни 5-6 см в диаметре и 100 см длины не являются редкостью) с дифракционным оптическим качеством. Nd:Glass лазер является интересным для получения импульсов высоких энергий и высокой пиковой мощности, когда требуется единичный импульс или низкие частоты повторения, например, в области исследований лазерного термоядерного синтеза. Стеклянные лазеры также имеют большую ширину спектральной линии, что делает их более подходящими для режимов синхронизации мод в целях получения более коротких импульсов порядка нескольких пикосекунд. Минимальная длительность импульса, которая может быть достигнута при синхронизации мод для них может составлять несколько десятков фемтосекунд.

Используемые для Nd:Glass лазеров силикатное и фосфатное стекло и плавленого кремний относитель но недорогие и весьма распространенные, в отличие от других кристаллических матриц. Излучаемая длина волны составляет 1062 нм в

случае силикатных стекол и 1054 нм для фосфатных стекол. Флуоресцентная ширина линии в Nd:Glass лазере нечувствительна к изменениям температуры, широком диапазоне температур (например, от - 100 ° С до +100 °С) с очень небольшим изменением характеристик.

Упрощенная схема уровней энергии схема Nd: Glass

Диэлектрические кристаллы и стекла (6)

Свойства Nd:Glass (силикатное стекло) лазера

Диэлектрические кристаллы и стекла (7)

Эрбиевые лазеры

Излучение неодимовых лазеров в районе 1064 нм представляют серьезную опасность для глаз,

что затрудняет их применение для дальномеров, целеуказателей и многих других приборов как

военного, так и гражданского назначения. Эта же длина волны также не очень подходит медицинским лазерам, используемым в пластической и полостной хирургии, поскольку их излучение недостаточно сильно поглощается тканями.

Эрбиевые лазеры представляют очень хорошую альтернативу в том и другом случае. В зависимости от материала матрицы они генерируют излучение с безопасной для глаз длиной волны 1540 нм (Er:Glass), а (Er:YAG) лазеры излучают на идеальной

для хирургии длине волны 2940 нм.

Er:YAG лазер

Генерация происходит между верхнем лазерном уровнем с временем жизни

верхнего уровня всего 0,1 мс, тогда как

время жизни нижнего лазерного уровня составляет около 2 мс. Большое время жизни на нижнем уровне на самом деле является большим недостатком, как рост населенности на этом уровне подавляет генерацию.

Свойства Er: YAG лазера приведены в

таблице

Схема энергетических уровней Er: YAG лазера с длиной волны 2940 нм.