tipy_lazerov_i_rezhimy

Осенний семестр.

Курс “Лазерная техника”. Преподаватель Митрофанов А.С.

Введение.

1. Классификация лазеров;

по типу активной среды: твердотельные, газовые, жидкостные, полупроводниковые, плазменные.

по типу накачки; виды накачки: оптическая,

электрический разряд в газах, электроионизационная, тепловая (газодинамическая), химическая.

2. Твердотельные лазеры.

Такие, которые используют кристаллический или аморфный диэлектрик.

Основные особенности твердотельных лазеров: -высокая концентрация частиц: до 1019 и даже до 1021 см-3, -высокий удельный энергосъем, -генерация про малых длинах,

-оптическая однородность(уступает газовым), -ширина линии люминесценции больше(единицы А° –десятки А°), -основной тип накачки – оптическая.

Активная среда твердотельных лазеров: Матрица (основа)+активатор(примесь).

Активатор обычно от долей, до нескольких процентов по отношению к матрице.

Принцип действия твердотельных лазеров.

В2-х уровневой системе оптической накачкой инверсию не создать. На практике используют 3-х или 4-х уровневые системы.

Вкачестве уровня 3 в 3-х уровневой схеме, и уровня 4 в 4-х уровневой схеме могут использоваться несколько уровней.

Более низким порогом генерации обладает 4-ех уровневая схема.

Четырехуровневая схема.

Вкачестве матриц используется широкий класс веществ, в частности, соли

вольфрамовой, молибденовой и плавиковой кислот(H2WO4, H2MoO4,HF), корунд Al2O3, иттриевые гранаты Y3Me5O12( где Me – Al,Cu,Fe), например Y3Al5O12 – ИАГ, стекла различных составов.

Вкачестве активатора – хром, кобальт, никель, титан, а также многие редкоземельные элементы.

Примеры эффективных лазерных сред:

Al2O3:Cr3+; Y3Al5O12:Nd3+; CaF:Nd3+; стекло:Nd3+ и т.д. (см. справочник).

Активные элементы твердотельных лазеров имеют различные формы:

Наиболее часто используется форма а).

• Системы оптической накачки твердотельных лазеров.

Предназначена для создания инверсии в активных средах.

Используется как когерентная (лазерная) накачка, так и некогерентная (ламповая). В случи некогерентной (ламповой) накачки, состоит из источника оптического излучения(специальной лампы), осветителя(отражателя) и электрического блока питания, питающего источник оптического излучения.

Например, система оптической накачки может включать в себя следующие элементы:

5

2

6

1

л.н. а.э.

В случае мощных лазеров требуется многоламповая накачка и элемент большого диаметра.

Л.н.

А.э.

Система накачки должна обеспечивать:

-высокую эффективность передачи излучения от лампы накачки к активному элементу; -высокую однородность (равномерность) накачки в объеме активного элемента (как по длине, так и в поперечном сечении).

Неравномерность оптической накачки активного элемента (особенно в поперечном сечении), приводит к термооптическим искажениям и сильно влияет на характеристики излучения лазеров (порог генерации, угловую расходимость, энергию излучения) и даже может приводить к срыву генерации.

Пояснение: n=f(Т). Появление термооптических искажений, эквивалентно изменению конфигурации резонатора.

В твердотельных лазерах сильно проявляются термооптические эффекты, т.к. n чувствителен к Т.

r

r/n

К появлению термооптических искажений твердотельных лазеров приводит, кроме неравномерности накачки, охлаждение боковой поверхности, т.к. теплопроводность ограничена, и центральная часть а.э. будет иметь большую температуру, чем боковая поверхность.

Для увеличения равномерности накачки используется, в частности, так называемая иммерсионная оболочка.

Иммерсионная оболочка (и.о.)

rа.с. = rи.о./n

Она же увеличивает и плотность энергии накачки в активном элементе.

•“Шепчущие” моды.

-кольцевые шепчущие моды.

-продольные шепчущие моды.

Это вредное явление «съедает» инверсию и уменьшает энергию генерации, т.е. ухудшает характеристики излучения.

Для борьбы с ним используют иммерсионные оболочки, а так же делают шероховатой боковую поверхность ( полностью или частично – полоска и кольца) активного элемента.

•Недостаток ламповой накачки – её спектр значительно шире полос поглощения.

Полосы поглощения а.э.

При когерентной (лазерной) накачке можно идеально согласовать излучение накачки с полосами поглощения!

Когерентная накачка является наиболее эффективной с точки зрения согласования спектров.

Для когерентной накачки твердотельных лазеров наиболее широко используются полупроводниковые лазеры.

3

2

1

4

1-блок питания п/п лазера;

2-п/п лазер;

3-согласующая оптика;

4-накачиваемый т.т. лазер.

Твердотельные микролазеры.

Маленькие лазеры на твердом теле могут быть при большой концентрации частиц

– до 1021 см-3!(в десятки раз больше, чем в ИАГ и стекле). Накачка – светодиодами.

Материалы:

-петнофосфат неодима NdP5O14; -тетрофосфат неодима калия KNdP4O12; -борат неодима-алюминия NdAl3(BO3)4; -тетрофосфат лития неодима LiNdP4O12;

мощность в импульсе – несколько Вт. τ≈40-80нс. Одномодовый режим генерации конкурирует с п/п лазерами.

Могут работать в стабильном одночастотном режиме, большая когерентность и монохроматичность, мало зависит от Т.

-гадолиний-скандий-галлиевые гранаты (ГСГГ) и др.

В области стекол наиболее перспективными считаются стекла КНФС (литий-неодим- лантан-фосфатные стекла). Nd до 1021см-3.

Генерирующие свойства такие же, как ИАГ и даже выше.

Перестраиваемые твердотельные лазеры.

3 группы:

1. Кристаллы, активированные ионами переходных элементов.

Александрит (0.70-0.82 мкм) BeAl2O4:Cr3+; Al2O3:Ti3+ (0.68-0. 3мкм);

KZn3:Cr3+ (0.78-0.86мкм);

ZnWO4:Cr3+ (0.9-1.1мкм)

2. Лазеры на центрах окраски (ЛЦО).

Центрами окраски (ЦО) называются дефекты кристаллической решетки, поглощающие свет в спектральной области, где собственное поглощение кристалла отсутствует.

Дефекты кристаллической решетки: вакансии (удаленные из узлов кристаллической решетки ионы), межузельные ионы, примесные атомы и ионы.

Центры окраски имеют различные обозначения, соответствующие типу дефекта. Так, например, центры, обусловленные анионными вакансиями, захватывающими электроны, называют f центрами.

Работают по 4х уровневой схеме, обладают низким порогом возбуждения, широкополосным спектром поглощения и люминесценции.