Лаб. работа №2

1. Теоретическая часть.

1.1. Описание активной среды.

Кристалл сапфира с титаном (Ti3+Al2O3) является одним из наиболее популярных лазерных сред, активированных ионами переходных металлов, используемых для создания перестраиваемых лазеров, излучающих в красной и ближней ИК областях спектра. Лазер на сапфире с титаном был впервые создан в 1982 г. (статья опубликована в 1986 г.) и в скором времени заменил большинство лазеров на красителях, которые ранее применялись для получения перестраиваемого излучения и использовались для проведения научных исследований.

Ионы титана Ti3+ обладают широким контуром усиления с максимумом вблизи 800 нм и позволяют осуществлять перестройку в диапазоне от ~650 до 1100 нм. Для покрытия такого широкого интервала длин волн лазер, как правило, комплектуется набором зеркал, работающих в различных более узких диапазонах. Поэтому возможность перестройки длины волны лазера на кристалле Ti:Al2O3 часто определяется спектром отражения глухого зеркала резонатора.

Вкачестве источника накачки лазера на кристалле сапфира с титаном могут использоваться излучатели из широкого диапазона длин волн, однако, не выходящего за пределы зеленой части видимой области спектра, в которой не работают лазерные диоды. Первоначально для накачки таких лазеров применялось излучение аргоновых лазеров на длине волны 514 нм, которые являются мощными излучателями, однако обладают низкой эффективностью, высокой стоимостью и громоздкими размерами. Таким образом, в настоящее время для накачки титан-сапфировых лазеров широко используется излучение твердотельных неодимовых лазеров с удвоителем частоты на длине волны 532 нм.

Короткое время жизни верхнего лазерного уровня ионов титана (около 3,5 мкс) и высокая энергия насыщения среды требуют большой интенсивности излучения накачки, высокого качества пучка и точной фокусировки.

Вкристаллах сапфира с титаном возможно наличие нежелательных примесей ионов Ti4+, которые приводят к паразитному поглощению излучения и таким образом к снижению эффективности генерации. Таким образом, при производстве титан-сапфировых сред особое внимание уделяется минимизации наличия таких примесей.

1.2. Характеристики и оптическая схема лазера, используемого в работе.

Изучение генерационных характеристик лазера на кристалле сапфира с титаном в данной работе производится на лазере модели «Титан», оптическая схема которого приведена на рис. 1.

При помощи плоских зеркал 1 и 2 излучение накачки, прошедшее через фокусирующий объектив 3, направляется на активный элемент 4. 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 специального микровинта. Плотность мощности излучения накачки на поверхности активного элемента регулируется перемещением фокусирующего объектива 3 вдоль оптической оси.

Генерация лазера возможна при достижении плотности мощности около 100 МВт/см2. Расчет данной величины производится по соотношению, учитывающему расположение активного элемента под углом Брюстера:

2

где E – энергия импульсов накачки, τ - длительность импульсов, d – диаметр пучка накачки на входной грани активного элемента.

Рис. 1. Оптическая схема лазера на кристалле Ti:Al2O3 «Титан»

1,2 – плоские зеркала, 3 – объектив, 4 – активный элемент, 5,6 – зеркала резонатора, 7 – призменный селектор.

В качестве источника накачки в лабораторной установке применяется учебный Nd:YAG лазер 1 (см. рисунок 2) производства компании LOTIS TII, настроенный на излучение второй гармоники на длине волны 532 нм в режиме модуляции добротности. Характеристики излучения лазера указаны в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические параметры излучения Nd:YAG лазера

Излучение лазера преломляется двумя плоскими зеркалами 3 и направляется во входное отверстие блока титан-сапфирового лазера. Энергия излучения накачки контролируется при помощи измерителя средней мощности и энергии лазерного излучения

3

ИМО-2Н, измерительная головка которого устанавливается на пути следования излучения накачки после второго преломляющего зеркала 3.

9 7

8

Рис. 2. Схема лабораторной установки

1 – Nd:YAG лазер, 2 – измеритель средней мощности и энергии лазерного излучения, 3 – диэлектрические зеркала, 4 – лазер на кристалле Ti:Al2O3, 5 – матовое стекло, 6 – нейтральные светофильтры, 7 – оптическое волокно, 8 – спектрометр,

9 – компьютер

Для измерения длины волны излучения титан-сапфирового лазера в установке предусмотрено использование спектрометра S100 8 производства компании «СОЛАР ЛС», работающего в диапазоне 190 – 1100 нм со средним спектральным разрешением 1 нм, который управляется и потребляет питание от компьютера 9 через USB интерфейс. Излучение через кварцевое оптическое волокно попадает на линейный датчик, обладающий высокой чувствительностью. Для предотвращения засветки и повреждения датчика перед волокном устанавливается рассеивающее матовое стекло 5 и ослабляющие нейтральные светофильтры 6. Наблюдение спектра излучения ведется на экране монитора компьютера

9.

1.3. Порядок работы с источником накачки.

Включение лазера накачки LS-2132У производится в следующей последовательно-

сти:

1)Повернуть ключ «Power» на передней панели блока питания в положение «On» (на пульте управления загорится индикатор STAND BY);

2)Дождаться, пока световые индикаторы «Level», «Flow», «Ready» и «Power» не станут непрерывно светиться зеленым;

3)Нажатием кнопки со стрелкой «→» на пульте управления выставить значение «6,5 Дж» на дисплее пульта;

4

4)Нажать кнопку «Lamp» на пульте управления; дождаться, пока световой индикатор на ней начнет светиться зеленым;

5)Для работы лазера в режиме свободной генерации нажатием кнопки «Q-SW Mode» установить режим «FR» (указывается загоранием соответствующего индикатора), затем нажать кнопку «Shutter». Отключение режима свободной генерации осуществляется повторным нажатием кнопки «Shutter». Нажатием кнопок «←» и «→» выполняется изменение энергии импульсов ламповой накачки.

6)Для работы лазера в режиме модуляции добротности путем нажатия кнопки «Q- SW Mode» установить режим «Internal», затем последовательно нажать кнопки «Shutter» и «Q-switch». Нажатием кнопок «←» и «→» осуществляется изменение энергии импульсов ламповой накачки. Отключение режима модуляции добротности осуществляется нажати-

ем кнопки со стрелкой «←» на пульте управления до значения энергии накачки «6,5 Дж», указанной на дисплее пульта и последовательным нажатием кнопок «Q-switch» и «Shutter»

Внимание!!! Энергия накачки не должна превышать 15 Дж!

Выключение лазера накачки LS-2132У производится в следующей последователь-

ности:

1)Нажать кнопку «Lamp» на пульте управления;

2)Нажать кнопку «Stop» на пульте.

3)Подождать около 5 секунд, после чего повернуть ключ «Power» на передней панели блока питания в положение «Off».

ВНИМАНИЕ!!! В случае нештатной ситуации, поражения электрическим током или лазерным излучением, появления необычного звука или запаха немедленно нажать красную кнопку «STOP» на передней панели блока питания и сообщить преподавателю!

1.4. Порядок работы с измерителем средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н

Основные рабочие характеристики измерителя ИМО-2Н приведены в таблице 2.

Таблица 2.

5

Порядок измерения:

1) Включить питание прибора тумблером «Сеть» и дать ему прогреться не менее 20

мин.

2)Установить требуемый режим измерения: «Энергия» или «Мощность». Примечание: прибор предназначен для измерения энергии одиночных импульсов или средней мощность серии импульсов.

3)Путем нажатия на соответствующую кнопку выбора диапазона измерения внизу приборной панели выбрать необходимый диапазон. Примечание: если приблизительное значение энергии или мощности излучения не известно, то вначале следует выставлять самый большой диапазон (до 1 Вт или до 10 Дж), затем постепенно переключаться на меньшие до такого, при котором наиболее точно видно измеряемое значение.

4)Записать «нулевое значение» энергии E0 или мощности P0, которое показывает прибор в отсутствие лазерного излучение, в выбранном диапазоне измерения.

5)Завести измеряемое лазерное излучение во входное отверстие измерительной

головки.

6)Снять показание по шкале прибора для энергии Eизм или мощности Pизм.

7)Рассчитать истинное значение энергии по формуле:

E = Eизм - E0 или P = Pизм - P0

8)Для получения точных значений измерения следует производить с интервалом около 5 мин.

9)Для выключения измерителя убрать измерительную головку с пути следования лазерного излучения или отключить подачу излучения. Тумблером «Сеть» выключить прибор.

1.5. Порядок работы со спектрометром

Спектрометр S100 является простым и удобным в работе прибором. Спектрометр не требует частой калибровки, не содержит движущихся элементов, управляется и потребляет питание от компьютера через Full-Speed USB интерфейс. Ввод излучения с помощью кварцевого оптического волокна обеспечивает гибкость компоновки приборных комплексов. Линейный датчик изображения, используемый в спектрометре, является

чрезвычайно чувствительным и реагирует на излучение очень малой интенсивности (160 В/(л·сек.)), не видимой глазом или на визуализаторе. Поэтому при измерении спектра излучения на спектрометре S100 следует особое внимание уделять интенсивности падающего на вход оптического волокна лазерного излучения, чтобы не спалить датчик!

1)На пути следования выходного излучения титан-сапфирового лазера установить матовое стекло и набор светофильтров.

2)Подключить кабель спектрометра к USB-разъему компьютера.

3)Установить спектрометр на оптическом столе вблизи выходного отверстия ти- тан-сапфирового лазера.

4)На компьютере запустить программу CCDTool. При правильном подключении программа запуститься без сообщения об ошибке. Нажать кнопку «Start» для запуска измерения.

5)Установить держатель оптического волокна за светофильтрами. При установке необходимо необходимо за картинкой на мониторе. Следует избегать попадания в волокно интенсивного пучка, который приведет к выходу сигнала на мониторе за пределы шкалы измерения интенсивности. При очень низком следует воспользоваться средством мас-

6

штабирования картинки на мониторе: выделить интересуемую область нажатием правой кнопки мыши.

6) Определить центральную длину волны спектральной полосы путем наведения курсора и считывания показаний внизу на дисплее.

2.Цель работы.

2.1.Ознакомиться с устройством и принципом действия твердотельного перестраиваемого лазера на кристалле сапфира с титаном при накачке импульсным Nd:YAG лазером.

2.2.Определить энергию импульсов накачки, необходимую для получения генерации в лазере на кристалле сапфира с титаном. Получить генерацию титан-сапфирового лазера.

2.3.Измерить зависимость длины волны излучения лазера от показаний барабана микрометрического винта лазера (перестроечную кривую). Измерить зависимость энергии импульсов лазера на сапфире с титаном от длины волны излучения.

3.Перечень основного материально–технического, методического и нормативного обеспечения

3.1.Методические указания к данной работе.

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

3.3.Лазерная установка LOTIS LS-2132У, включающая в себя блок питания, блок охлаждения, пульт управления и, непосредственно, лазерный излучатель на кристалле иттрий алюминиевого граната.

3.4.Лазер на кристалле сапфира с титаном «Титан».

3.5.Измеритель средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н.

3.6.Спектрометр SOLAR S100.

4.Инструкция по выполнению работы

4.1.Включить измеритель энергии и средней мощности лазерного излучения ИМО2Н; дать ему 20 минут прогреться.

4.2.Включить лазер LS-2132У согласно пункту 1.3 в режиме свободной генерации.

4.3.При помощи диэлектрических зеркал завести излучение в центр входного отверстия лазера на сапфире с титаном. Убедиться, что излучение входит в отверстие перпендикулярно и строго по центру.

4.4.Перед входным отверстием лазера на кристалле Ti:Al2O3 установить измерительную головку ИМО-2Н.

4.5.Включить режим модуляции добротности согласно пункту 1.3. Надеть защит-

ные очки.

4.6.Измерить зависимость энергии импульсов излучения Nd:YAG лазера от электрической энергии импульсов ламповой накачки при помощи измерителя ИМО-2Н в соответствии с пунктом 1.4 в диапазоне от 7 до 15 Дж по энергии накачки. Не превышать

15Дж! Опустить значение энергии накачки лазера до 6,5 Дж; отключить подачу излучения; снять защитные очки.

4.7.Построить график измеренной зависимости. Рассчитать энергию импульсов лазерного излучения, необходимую для получения генерации титан-сапфирового лазера по формуле (1.1). При расчете следует учитывать, что объектив фокусирует излучение накач-

7

ки на активном элементе в пятно диаметром d = 1,55 мм. По графику определить соответствующую энергию импульсов накачки.

4.8.Убрать измерительную головку измерителя ИМО-2Н. Надеть защитные очки. Включить подачу излучения лазера накачки в режиме модуляции добротности, установить определенное выше значение энергии импульсов, которое требуется для получения генерации титан-сапфирового лазера. За выходным отверстием изучаемого лазера установить визуализатор. Наблюдать генерацию излучения и перестройку длины волны с ближнего ИК диапазона в красную область спектра или обратно, происходящее при вращении микрометрического винта перестроечного механизма.

4.9.При помощи спектрометра S100 измерить зависимость длины волны излучения от показаний барабана перестроечного механизма (перестроечную кривую) согласно пункту 1.5 с шагом 100 мкм.

4.10.Измерить зависимость мощности лазерного излучения от длины волны гене-

рации.

4.11.Выключить лазер LS-2132У и измерительное оборудование. Снять защитные

очки.

5. Требования к отчету.

Отчет по работе должен включать в себя:

5.1.Описание цели работы и поставленных задач.

5.2.Оптическую схему используемого в работе лазера на кристалле сапфира с титаном и лабораторной установки.

5.3.Табличные данные и график зависимости импульсов излучения Nd:YAG лазера от электрической энергии импульсов ламповой накачки. Значение энергии импульсов, необходимой для получения генерации лазера на сапфире с титаном.

5.3.График перестроечной кривой для лазера «Титан».

5.4.График зависимости мощности выходного излучения от длины волны генера-

ции.

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

8