ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-4

Диэлектрические кристаллы и стекла (9)

Er: Glass лазеры с модуляцией добротности (для уменьшения времени импульса) находят свое основное применение в безопасных для глаз карманных лазерных дальномерах. Такие лазеры работают с низкой частотой повторения, как правило, в диапазоне 5-20 импульсов в минуту, хотя у некоторых образцов она может быть выше, чем 2 Гц. Большинство устройств в этой категории имеют схожие технические характеристики с точки зрения рабочего диапазона, точности определения дальности и частоте следования импульсов. Максимальная длина, как правило не превышает 25 км, при точности по дальности ≈ 5м. В военных системах в настоящее время используют Nd:YAG лазеры, длина волны которых смещается с помощью параметрических генераторов света (ПГС-OPO) до 1570 нм. В них удается обеспечить более высокие частоты следования импульсов до 25 Гц.

Диэлектрические кристаллы и стекла (10)

Tm:Ho:YAG и Cr:Tm:Ho:YAG тулий-гольмиевые лазеры с длиной волны 2.08 мкм

(2.02 мкм)

При использовании ламповой накачки активная среда легируется ионами Cr3+, которые возбуждаются на широкие уровни 4Т1 и 4Т2, откуда энергия эффективно переносится на уровень 3F4 иона Tm3+. При диодной накачке можно обеспечить непрерывную накачку именно

этого уровня напрямую. Далее в результате т.н. кросс-релаксации происходит

перераспределение энергии по схеме Tm(3F4) + Tm(3H6) → 2Tm(3H4). За счет этого квантовая эффективность такой накачки составляет 100%.

При определенных условиях энергия с уровня Tm(3H4) может переноситься на 5I7 иона Ho, обеспечивая генерацию на длине волны 2.08 мкм. Эти лазеры обеспечивают получение одночастотного режима излучения для лазерных доплеровских ветровых радаров.

Диэлектрические кристаллы и стекла (11)

Перестраиваемые лазеры

От более известных лазеров на рубине и ионах неодима перестраиваемые лазеры отличаются

структурой энергетических уровней, представляющих из себя широкие полосы, а не дискретные

уровни энергии. Эти энергетические полосы являются результатом взаимодействия электронных уровней энергии активных частиц (ионов) с колебательными уровнями кристаллической решетки матрицы, что приводит к появлению колебательных электронных подуровней. Лазерный переход происходит между самым низким уровнем верхней полосы в любую точку нижней полосы. Это характерная черта вибронных лазеров делает лазеры этого класса перестраиваемыми. Однако, такие лазеры имеют важное значение не только для перестройки длины волны излучения, но и в

связи с их способностью генерировать длины волн, не доступные из других твердотельных

лазерных сред. Наиболее известными из них являются лазер на александрите (легированный хромом хризоберилл BeAl2O4), титан-сапфировый (легированный титаном корунд Al2O3), и Cr-ГСГГ (легированный хромом ГСГГ, Gd3Sc2Go3O12) с диапазонами перестройки 700-850 нм, 660-1180 нм и 740-850 нм соответственно.

Александритовый лазер

Александритовый лазер с интенсивным излучением красного цвета в сочетании с перестройкой

длины волны, является хорошим источником излучения лазерного «ослепителя» (dazzler), -

устройство, используемого для временного ослепление человека и является примером «нелетального» лазерного оружия.

Александрит является общим названием для хризоберилла, легированного хромом, с концентрацией хрома в диапазоне 0,1-0,4 атомных процента. Оптические и механические свойства александрита, близки рубину. Она имеет много физических и химических свойств хорошего лазерной матрицы, в том числе высокую теплопроводность, твердость, химическая

стойкость и высокая предельная тепловая нагрузка. Теплопроводность и тепловая стойкость

александрита примерно в два раза и в пять раз соответственно выше, чем у Nd:YAG, , что позволяет такому лазеру работать при высоких средних мощностях накачки без теплового разрушения.

Диэлектрические кристаллы и стекла (12)

На Рис. показана схема энергетических уровней схема александрита. Генерация

излучения может происходить между

верхним уровнем 4T2 и любым из колебательных состояний вблизи нижнего уровня 4А2.

Диапазон перестройки длины волны излучения 700-850 нм. Как показано на схеме энергетических уровней, есть еще один уровень энергии 2E примерно в 800 см-1 ниже верхнего уровня, находящейся в тепловом равновесии

с верхним уровнем. Уровни 4T2 и 2E имеют время жизни 6,6 мс и 1,54 мс соответственно. Эффективное время жизни верхнего уровня здесь зависит от совместного влияния состояний 4T2 и 2E, и составляют примерно 260 мс. Еще одним интересным свойством александритового лазера является сильная зависимость его работы от температуры. Поперечное сечение

вынужденного излучения и, следовательно, коэффициент усиления возрастают с увеличением температуры кристалла. Пик коэффициента усиления смещается в длинноволновую область роста населенностей нижнего лазерного уровня, особенно в нижней части полосы. Конечным результатом является, увеличение мощности лазеры при увеличении температуры на больших длинах волн в диапазоне настройки.

Диэлектрические кристаллы и стекла (13)

Другой эффект повышения температуры уменьшение времени жизни на верхнем лазерном уровне с 260 мс при комнатной температуре до 130 мс, что при температуре 100°С. Свойства

александритового лазера приведены в таблице. Способность александритового лазера

поддерживать высокий коэффициента усиления при повышенных температурах, в сочетании с перестройкой длин волн, делают его весьма привлекательным из ТТЛ для многих приложений.

Титан-сапфировый лазер

Титан-сапфировый является наиболее широко используемым перестраиваемым твердотельным лазером из-за широкого диапазона перестройки и хороших характеристик материала. Диапазон длин волны перестраиваемого лазера от 660 нм до 1180 нм с пиком кривой усиления, расположенным около 800 нм. Материал матрицы (сапфир) имеет очень высокую теплопроводность, механическая прочность и исключительно высокую химическую инертность. Концентрация ионов титана в лазерном кристалле составляет около 0,1%. Свойства Ti-сапфировых лазеров приведены в таблице.

Диэлектрические кристаллы и стекла (14)

Титан-сапфировые лазеры не могут быть эффективно накачиваться импульсными лампами из-за их слишком малого времени жизни верхнего лазерного уровня. Можно отметить здесь, что инверсия, которая требуется чтобы превысить порог генерации в лазере обратно пропорциональна произведению времени жизни верхнего лазерного уровня и сечения вынужденного излучения.

Крайне малая величина времени жизни верхнего лазерного уровня 3.2 мс обуславливает

необходимость высоких мощностей накачки для достижения порога генерации в титан-сапфировом лазере. В то же время полоса поглощения имеет максимум около 500 нм, что затрудняет использование лазерных диодов для накачки, так как эта длина волны слишком коротка для обычно используемых для накачки лазерных диодов.

Ввиду вышеуказанных причин, для накачку титан-сапфировых лазеров для импульсно-периоди- ческих режимов обычно осуществляют с помощью неодимовых лазеров (Nd: YAG, Nd: YLF) с

удво¬ением частоты и лазерами на парах меди, а когда необходимо непрерывное излучение (CW)

для накачки используют аргон-ионные лазеры. Неодимовые лазеры, в свою очередь, могут быть с диодной накачкой. Сильное излучение аргон-ионных лазеров на 488 нм и 514,5 нм, Nd:YAG и Nd:YLF лазеров с удвоением частоты на длине волны 532 нм и 527 нм соответственно, а также лазеров на парах меди с длиной волны 510 нм отлично совпадают с полосой поглощения титансапфира.

Диэлектрические кристаллы и стекла (15)

На Рис. показана упрощенная схема энергетических уровней титан-сапфирового лазера.

Титан-сапфировые лазеры с широкой полосой генерации (800—1100 нм). Активная среда выполняется в виде короткого (2—8 мм) стержня из

монокристалла сапфира (Al2O3)

с примесью ионов Ti3+. Лазерная генерация происходит с самого нижнего колебательного подуровня состояния 2Е на несколько колебательных подуровней основного состояния

2Т2. Ширина лазерной линии

титан-сапфира – наибольшая среди традиционно используемых твердотельных лазеров.

Титан-сапфировые лазеры с непрерывной мощностью излучения в несколько ватт, накачиваемые аргон-ионным лазером, а также работающие в импульсно-периодическом

режиме с энергией импульса в несколько мДж на частоте 1 кГц или выше 100 мДж с частотой 20 Гц, накачиваемые Nd: YAG или Nd: YLF лазерами с удвоением частоты являются коммерчески доступными. Такие перестраиваемые лазеры идеально подходят для атомной и молекулярной спектроскопии и флуоресцентной спектроскопии.

Диэлектрические кристаллы и стекла (16)

Наиболее современными твердотельными средами для перестраиваемых лазеров на ионах

Cr3+ являются Cr3+:LiSrAlF6 (Cr:LISAF) и Cr3+: LiCaAlF6 (Cr:LICAF). Оба материала обеспечивают широкий

диапазон перестройки частоты

генерации и могут накачиваться как импульсной лампой, так и диодной накачкой.

Общая картина энергетических уровней похожа на схему уровней

александрита. Спектры поглощения и флюоресценции кристалла

Cr:LISAF приведены на рис. Основное применение этих сред –

усиление фемтосекундных импульсов титан-сапфировых или Cr:LISAF лазеров в перестраиваемых лазерных

системах мониторинга окружающей

среды, а также для задач спектроскопии.

Дисковые лазеры

Активная среда в виде цилиндрического стержня обладает серьезными ограничениями из-за

термооптических эффектов (формирование положительной тепловой линзы из-за радиального градиента температуры и двойное лучепреломление из за механических напряжений), которые наводятся в стержне при высоком уровне мощности накачки, поскольку охлаждение стержня производится с помощью хладоагента по наружной поверхности.

Решением может быть использование активной среды в виде очень тонкого диска (d << D).

Типичные значения d ≈100…200 мкм, а D от 1 до нескольких мм. Это обеспечивает очень

небольшой температурный градиент и позволяет достигать высоких уровней мощности накачки (до 1 МВт/см3).

Многопроходные схемы накачки (справа) обеспечивают однородную накачку в радиальной плоскости. Это приводит к существенному уменьшению тепловых эффектов. Другим преимуществом является то, что высокие мощности в поглощаются небольшом объеме среды, сильно увеличивая скорость накачки, что принципиально важно для трехуровневых и

квазитрехуровневых схем. При этом также оказывается возможным поддерживать диск при

низкой температуре, обеспечивая слабую заселенность основного состояния.