Министерство образования Российской Федерации
Московский госудаственный технический университет имени н.Э. Баумана
Кафедра РЛ-2
"УТВЕРЖДАЮ"
ЗАВ. КАФЕДРОЙ РЛ-2
____________БАРЫШНИКОВ Н.В.
" "_____________2011г.
Лабораторная работа
Изучение конструкции лазера с полупроводниковой накачкой
Москва - 2011г.
Изучение конструкции лазера с полупроводниковой накачкой
Целью данной лабораторной работы является изучение физико-технических и конструктивных особенностей малогабаритного твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой и эффектом удвоения частоты излучения (ГВГ).
Твердотельные лазеры (ТТЛ), с которых в 1960 г началась лазерная эра (первым в мире был сконструирован ТТЛ на кристалле рубина (1960г); в 1961 г был создан лазер на неодимовом стекле и др.), продолжают активно развиваться и играют важную роль в современных технологиях.
ТТЛ, активные среды которых выполнены из кристаллических и аморфных матриц с введенными ионами активаторов, надежны, удобны и сравнительно простыв эксплуатации. При небольших габаритах они могут генерировать очень высокие импульсные мощности (вплоть до 1012 Вт и более), очень короткие световые импульсы (до 10-12 с и менее), а также работать в непрерывном режиме с выходной мощностью от единиц мВт до сотен Вт.
Специфика используемых лазерных активаторов – редкоземельных ионов неодима, эрбия, иттербия (или ионов хрома, титана) позволяет в твердотельных лазерах накапливать энергию возбуждения на верхнем лазерном уровне по трех- и четырехуровневой схеме и обеспечить эффективную работу лазера в самых разнообразных режимах работы:
-в режиме свободной генерации при непрерывной накачке;
-в режиме свободной генерации при импульсной накачке повторяющимися световыми импульсами;
-в режиме модулированной добротности при непрерывной накачке, когда излучается цуг регулярных мощных импульсов (режим «разгрузки» резонатора);
-в режиме модуляции добротности при однократной или повторяющейся импульсной накачке, когда высвечивается однократный (например - для дальномера) или повторяющийся (для светолокатора) мощный световой импульс.
ТТЛ не имеют аналогов по яркости и пиковой мощности излучения, так как допускают работу в одномодовом (по поперечным индексам) режиме с хорошим качеством пучка в сочетании с режимом модуляции добротности, недоступным большинству других лазеров. Высокая пиковая мощность излучения позволяет эффективно преобразовывать средствами нелинейной оптики излучение ТТЛ ближнего ИК-диапазона в видимый и даже ультрафиолетовый диапазоны спектра, а также в средний ИК-диапазон.
Активные среды для ТТЛ за годы многолетних исследований были оптимизированы для лазеров различных типов и применений. Наибольшее распространение получили кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 (ИАГ), а также алюмината иттрия YAlO3, активированные неодимом, эрбием, иттербием, туллием; кристаллы сапфира – оксида алюминия Al2O3 с примесями хрома и титана и несколько других кристаллов, а также стекла различных составов с неодимом, эрбием, иттербием и др. Нельзя не упомянуть разработанный в России кристалл галлий-скандий-гадолиниевого граната (ГСГГ) с примесью хрома и неодима, эффективно передающий возбуждение от ионов хрома неодиму и повышающему эффективность лазеров с широкополосной накачкой (Хе лампы-вспышки).
Основное отличие ТТЛ, использующих в качестве активной среды диэлектрические примесные кристаллы и стекла, от лазеров других типов состоит в том, что практически единственным возможным методом воздействия на твердое тело, способным нарушить состояние термодинамического равновесия без его разрушения, является облучение его мощным вспомогательным источником излучения, спектральный состав которого соответствует спектру поглощения данной активной среды.
Наличие широких полос поглощения позволяет использовать и немонохроматические источники излучения накачки. Система накачки помимо источника включает также отражатель системы накачки. Объединенные в общем корпусе активный элемент, лампа накачки и отражатель называют квантроном.
Конструктивно ТТЛ состоит (рис. 1) из следующих базовых составляющих:
1-одного или нескольких активных элементов;
2-оптического резонатора;
3-системы накачки;
4-блока питания;
5-блока охлаждения (при необходимости);
6-блока управления (при наличии элемента, управляющего режимом генерации 7);
8-нелинейного элемента (в случае генерации высших гармоник и др.).
В замкнутом объеме корпуса излучателя (см. рис. 1) размещены все элементы оптического резонатора (отражатель с устройством юстировки, затворы, диафрагмы и др.), квантрон, системы так называемой «ближней электроники», неотделимые от излучателя, например высоковольтное устройство поджига лампы накачки или высокочастотный контур питания устройства управления (акусто-оптического затвора), а также трубопроводы системы жидкостного охлаждения и т.д.
Рис. 1