2.1.6 Принцип действия, устройство и параметры твердотельных лазеров. Устройство и работа твердотельного лазера

Рассмотрим упрощенную схему высоковольтного твердотельного лазера

Рис.

Лазер на рубине.

В качестве активной среды используется кристалл рубина , где часть атомов замещена (содержание 0.05%) или (1.6 атомов в ) в виде стержня диаметром 5-10 мм; . Картина энергетических уровней в веществе представлена на рис. .

Рис.

Наличие атомов приводит к появлению метастабильного уровня – 2.

В чистом рубине имеется два энергетических уровня 1 и 3 с двумя частотами поглощения 0.42 мкс (фиолетовая полоса видимого спектра) 0.55 мкс (зелёная полоса). Наличие атомов приводит к появлению метастабильного уровня – 2.

Лазер на рубине, таким образом, работает по трёхуровневой схеме.

При возбуждении (поглощении) атомы среды переходят с уровня 1 на уровень 3, где время жизни =сек. Т.е. атомы быстро переходят (без излучения) на метастабильные уровни 3. Время жизни =сек. Происходит накопление частиц на энергетических уровнях 2 и появляется инверсия населенности .

Благодаря этому возникает лазерное излучение с красного цвета (длина волны λ = 0,69 мкм) с использованием перехода .

Рубиновые лазеры имеют следующие выходные параметры:

1. Мощность в одиночном импульсе достигает Вт, 1-10 ГВт

2. К. П. Д. 1 %

3. Режим работы – только импульсный 1 Гц.

Неодимовый лазер.

В качестве активной среды используется либо кристалл (YAG) (иттрий – алюминиевый гранат) либо стекло, в которое введены ионы Nd(%) и (1%).

Размеры активного элемента достигают размеров =1 м; максимальный диаметр ≈ 10 см.

Рис.

Неодимовый лазер работает по четырехуровневой энергетической схеме (рис. ). Поглощение происходит на частотах, в диапазоне 0.350.9 мкм, но особенно интенсивно на частотах соответствующих λ=0.73;0.8 мкм. Атомы при этом переходят на уровни 3. Затем происходит безизлучательный и быстрый переход на метастабильный уровень 2, где происходит накопление частиц и создается инверсия населенностей /

Время жизни на метастабильном уровне

Переход между уровнями 21 генерируется излучение с λ=1.06 мкм (в инфракрасной области излучения).

Неодимовые лазеры имеют следующие характеристики:

1. Лазеры на гранате могут работать не только в импульсном, но в непрерывном режиме.

2. Мощность единичного импульса может достигать гигантских значений 20Вт (20000 гВт) и полной энергией 15 кДж. В непрерывном излучении мощность не более 1 кВт. (АИГ).

3. К.П.Д.-1.5-3 %

Способ накачки и излучатели твердотельных лазеров.

Создание инверсии населенности в активной называется процессом накачки.

В твердотельных лазерах применяется оптическая накачка. При этом некогерентное излучение мощного источника

Особенности работы излучателя импульсного твердотельного лазера

Различают два основных случая:

1.Случай: лазер генерирует излучение на одной моде.

В результате расчета N и F , выполненного для случая 3-х уровневого лазера на рубине, были получены зависимости изменения этих параметров во времени. Эти зависимости качественно имеют следующий вид, представленный на рис. .

I_л - зависимость интенсивности излучения импульсной лампы от времени.

N_кр - изменение инверсии населенности во времени.

F - изменение числа фотонов лазерного излучения во времени.

Рис.

Можно отметить следующие особенности представленных зависимостей:

1. Число фотонов F(t) излучения описывается регулярной во времени последовательностью пиков излучения длительностью ≈ 1 мкс , амплитуда которых постепенно уменьшается, а интервал между пучками равен нескольким микросекундам (≈ 10 мкс).

2. Инверсия населенности колеблется относительно стационарного значения.

3. Колебательный характер N(t) F(t) объясняется тем, что число фотонов изменяется не сразу, а с некоторой задержкой. (Задержка обусловлена тем, что для усиления потока фотонов при многократном прохождении через активную среду требуется определенное время). Вначале под воздействием излучения импульсной лампы происходит нарастание инверсии населенностей. При этом максимальное значение N соответствует началу пичка излучения. Затем вслед высокой скорости вынужденного излучения N быстро уменьшается . Причем амплитудное значение F (пичка) достигается при максимальной скорости уменьшении инверсии. А минимальное значение инверсии соответствует прекращению излучения и окончанию пичка излучения. После этого под воздействием продолжающегося излучения лампы инверсия вновь нарастает и описанный процесс повторяется. В результате появляется второй пичок излучения и т.д.

2.Случай : многомодовый режим излучения.

На практике чаще наблюдается многомодовый режим излучения. Это обусловлено тем, что ширина спектра лазерного излучения бывает больше, чем разности частот между поперечными модами.

В этом случае временная зависимость выходного излучения получается более сложной. При этом выходное излучение представляет собой последовательность нерегулярных во времени импульсов со случайными амплитудами. Эти импульсы накладываются друг на друга и сливаются друг с другом. (см. осциллограммы излучения в лабораторной работе).

На практике применяются другие режимы работы импульсных лазеров:

- Режимы модулированной добротности – служит для получения излучения виде одиночного пичка малой длительности и большой мощности.

- Режим синхронизации мод – служит для генерации лазерных импульсов сверх короткой длительности (до нескольких пикосекунды) и очень высокой мощности (несколько ГВТ).