Лаб. работа №1

1. Теоретическая часть.

1.1. Описание активной среды.

Кристалл сапфира с титаном (Ti:Al2O3) - это твердотельная лазерная среда, позволяющая перестраивать длину волны лазерного излучения в широком диапазоне длин волн в ближней ИК области. Она характеризуется хорошими физическими и химическими свойствами: высокой теплопроводностью, физической прочностью, химической и лучевой стойкостью. Сапфир с титаном обладает широкой полосой поглощения в сине-зеленой части спектра (см. рисунок 1), что позволяет использовать в качестве источников накачки аргоновый лазер (в непрерывном режиме генерации) или вторую гармонику широко распространенного Nd:YAG лазера (в импульсном и непрерывном режимах).

Рис. 1. Схема уровней и спектры поглощения и люминесценции кристалла Ti:Al2O3

Лазерные характеристики сапфира с титаном определяются ионом Ti3+, который замещает ионы Al3+ в кристаллической матрице Al2O3. Основное состояние иона Ti3+ расщеплено кристаллическим полем матрицы на два колебательно-уширенных уровня (рисунок 1), между которыми происходят переходы, связанные с поглощением света в диапазоне 400-650 нм. Переходы, связанные с люминесценцией, находятся в диапазоне 600-1100 нм, и характеризуются временем жизни около 3,5 мкс при комнатной температуре.

С увеличением температуры активной среды время жизни возбужденного состояния и лазерная эффективность снижаются из-за увеличения вероятности безызлучательных переходов. Поэтому при высоких мощностях накачки кристалл обычно охлаждают.

Из-за частичного перекрытия полос поглощения и люминесценции лазерная генерация возможна только на длинах волн, превышающих 650-670 нм. Диапазон перестройки ограничивается потерями как в активной среде, так и на других элементах резонатора (диспергирующие элементы, покрытия зеркал и т.д.). Потери в активной среде обусловлены рассеянием на дефектах и включениях, внесенных в кристалл в процессе роста, а также поглощением ионами Ti4+. Интенсивность полосы поглощения ионов Ti4+ зависит от технологии роста кристалла, а также от концентрации ионов Ti3+, поэтому в высоколегированных кристаллах потери в полосе генерации обычно выше.

2

1.2. Перестройка длины волны генерации лазера.

В лазерах на основе сред с широким контуром усиления (александрит, сапфир с титаном, Cr:GSGG, растворы красителей) существует возможность перестройки длины волны генерации. Для перестройки генерации необходимо создать наилучшие условия (наименьшие потери) для определенной центральной длины волны и увеличить потери для всех остальных длин волн. Для этого в резонатор вводят специальные селективные элементы, такие как призмы, дифракционные решетки, двулучепреломляющие фильтры, эталоны Фабри-Перо.

Простейшим элементом, предназначенным для перестройки длины волны генерации лазера, является преломляющая призма. Действие призмы как селективного элемента основано на том, что показатель преломления стекла зависит от длины волны (дисперсия света), а, следовательно, угол отклонения луча призмой будет различным для разных длин волн. Пучки лучей всех частот, кроме основной, отклоняются от оси резонатора и, как следствие, потери на этих частотах увеличиваются. Перестройка основной длины волны осуществляется поворотом призмы либо выходного зеркала.

На рисунке 2 приведена схема простейшего дисперсионного резонатора с призмой.

Рис. 2. Дисперсионный резонатор с призмой.

Угол, под которым произвольно падающий луч выходит из преломляющей призмы, определяется по формуле:

β`= arcsin(n(λ) sin(ψ −arcsin(sinα / n(λ))))

Угол отклонения луча:

ϕ =α + β`−ψ

Дисперсия одиночной призмы невелика, поэтому в лазерных системах часто используют системы из несколько последовательно установленных призм. Такие системы называются призменными селекторами.

3

1.3. Характеристики и оптическая схема лазера, использующегося в работе.

В данной работе для расчета используется титан-сапфировый лазер CF 123M производства компании Solar TII.

Основные характеристики лазера приведены в таблице 1:

Табл. 1. Основные характеристики лазера CF 123M.

1 2 3

Рис. 3. Оптическая схема лазера CF 123M

1,2 – поворотные призмы, 3 – объектив, 4 – активный элемент, 5,6 – зеркала резонатора, 7 – призменный селектор, 8 –преобразователь частоты, 9 – компенсатор.

При помощи поворотных призм 1 и 2 излучение накачки, прошедшее через фокусирующий объектив 3, направляется на активный элемент 4. Плотность мощности излучения накачки на поверхности активного элемента регулируется перемещением фокусирующего объектива 3 вдоль оптической оси. Лазер комплектуется набором фокусирующих объективов с различными фокусными расстояниями, что позволяет

4

использовать в качестве источника накачки любой импульсный Nd:YAG лазер с длиной волны излучения 532 нм и энергией импульса до 300 мДж. Резонатор сформирован глухим широкополосным зеркалом 5, расположенным за призменным селектором 7, и выходным зеркалом 6. Перестройка основной длины волны осуществляется поворотом глухого зеркала 5 в плоскости дисперсии призменного селектора с помощью микровинта

«Tunability».

Лазерное излучение, выходящее из резонатора, попадает в преобразователь частоты 8 и компенсатор 9. Преобразователь частоты – это нелинейный кристалл KDP в оправе. Для точной подстройки угла фазового синхронизма кристалла при перестройке основной длины волны лазера используется микровинт «Doubling». Для компенсации вертикального смещения излучения второй гармоники после выхода из преобразователя частоты используется компенсатор 9. Компенсатор жестко связан с преобразователем и поворачивается одновременно с ним при вращении микровинта «Doubling».

Конструкция оправы активного элемента предусматривает возможность его охлаждения проточной водой. Охлаждение необходимо в тех случаях, когда средняя мощность накачки превышает 5 Вт.

2. Цель работы.

2.1. Ознакомиться с принципом действия и конструктивными особенностями твердотельного перестраиваемого лазера на кристалле сапфире с титаном на примере лазера CF-123M. Произвести расчет дисперсионной характеристики призменного селектора, применяемого для перестройки длины волны.

3.Перечень основного материально–технического, методического

инормативного обеспечения.

3.1.Методические указания к данной работе.

3.2.Конспект лекций по дисциплине «Твердотельные лазерные системы».

3.3.Лазер на кристалле сапфира с титаном CF 123M.

4. Инструкция по выполнению работы.

4.1.Изучить принцип работы и основные параметры твердотельного лазера на кристалле сапфира с титаном на примере модели CF 123M.

4.2.Произвести расчет дисперсионной характеристики (зависимости угла поворота зеркала от длины волны генерации) призменного селектора лазера CF 123M в спектральном диапазоне 700-1000 нм. Расчет рекомендуется производить на компьютере в программных пакетах MathCAD или Origin.

Исходные данные для расчета:

-углы всех призм составляют 60°;

-призмы изготовлены из стекла FF8. Для определения показателя преломления стекла использовать формулу Шотта:

5

4.3. Построить перестроечную кривую (зависимость длины волны генерации от отсчета микровинта) лазера CF 123M, если для поворота зеркала используется синусный механизм с длиной плеча 75 мм и микровинт с ценой деления основной шкалы 1/3 мм (для длины волны 800 нм отсчет микровинта составляет 18):

75 мм

0

30

5. Требования к отчету.

Отчет по работе должен включать в себя:

5.1.Описание цели работы и поставленных задач.

5.2.Оптическую схему лазера на сапфире с титаном CF 123M.

5.3.Алгоритм расчета перестроечной кривой.

5.4.График рассчитанной перестроечной кривой для лазера CF 123M.

5.5.Анализ полученных результатов и выводы, полученные при анализе.

6