Установка для регистрации коротких лазерных импульсов основной и удвоенной частоты неодимового лазера, страница 2

Кристалл АИГ- Nd³⁺ обладает хорошими механическими свойствами, высокой теплопроводностью и совершенной кристаллической структурой. Качественный прозрачный монокристалл АИГ- Nd³⁺ удается вырастить с атомарной концентрацией Nd не более 3% (по отношению к Y). Выращивание осуществляется методом Чохральского (вытягиванием из расплава) с использованием иридиевых тиглей. Высококачественные монокристаллы получаются при очень низкой скорости роста 0.5 мм/ч.

В процессе роста в центральной части кристаллов собираются примеси, дефекты, возникают механические и оптические искажения. Поэтому активные элементы вырезают из периферийных частей кристаллов. Как правило, активные элементы изготавливаются в форме тонких длинных цилиндров диаметром 3 – 10 мм и длиной 32 – 125 мм. Для режимов свободной генерации и модуляции добротности используются элементы размером 3х50; 5х50; 6.3х65; 6.3х80; 8х100 мм; для одномодовой генерации – более тонкие элементы.

Спектрально-люминесцентные свойства кристалла АИГ: Nd³⁺ определяются в основном свойствами иона Nd³⁺, слегка модифицированными из-за влияния матрицы – кристалла АИГ. Неодим является редкоземельным металлом, относящимся к группе лантонидов. Оптические и лазерные свойства трехвалентного неодима, как и других редкоземельных ионов, определяются переходами внутри 4f электронной оболочки.

Структура энергетических уровней свободного иона неодима определяется кулоновским взаимодействием электронов с ядром и друг с другом, а также взаимодействием спинового и орбитального моментов электронов. [1]

1. Энергетические уровни ионов Nd³⁺ в кристалле АИГ.

На рис. 1 показана схема энергетических уровней иона Nd³⁺ в кристалле АИГ при Т = 300 К.

Рис. 1. Схема энергетических уровней Nd³⁺ в кристалле АИГ

Оптическая накачка переводит ионы Nd³⁺ из основного состояния ⁴I_9/2 в серию возбужденных состояний, состоящую из большого числа узких, частично перекрывающихся друг с другом уровней. Основные полосы накачки расположены на длинах волн 0.73 и 0.8 мкм. Последняя полоса удобна для накачки полупроводниковыми лазерами и светодиодами на основе арсенида галлия. С этих уровней энергии осуществляется быстрая релаксация на метастабильный уровень ⁴F_3/2 с временем жизни τ₂₁ = 0.23 мс. Переходы с этого уровня в состояния ⁴I_15/2, ⁴I_13/2, ⁴I_11/2 и ⁴I_9/2 сопровождаются эффективной люминесценцией в области длин волн 1.8; 1.3; 1.06 и 0.95 мкм. Наиболее сильным является переход ⁴F_3/2  ⁴I_11/2 в области 1.06 мкм. Обычно на этом переходе и осуществляется генерация. Уровень ⁴I_11/2 является нижним рабочим лазерным уровнем при генерации в области 1.06 мкм, расположен примерно на 0.25 эВ выше основного состояния ⁴I_9/2. Эти уровни связаны между собой быстрой безызлучательной релаксацией. В то же время расстояние между ними существенно больше kT, что обеспечивает эффективное опустошение нижнего рабочего уровня и определяет четырехуровневый характер генерации неодимового лазера.

Верхний лазерный уровень ⁴F_3/2 расщеплен на два подуровня, а нижний уровень ⁴I_11/2 – на шесть подуровней. Поэтому полоса люминесценции 1.06 мкм имеет сложную структуру. Наиболее сильная линия является однородно уширенной с шириной около Δν_0.5 = 195 ГГц при комнатной температуре, как показано на рис. 2. Аналогичная ситуация наблюдается и для линий излучения в области 1.3 и 0.9 мкм.

Рис. 2. Спектр люминесценции Nd³⁺ в АИГ при Т = 300К в полосе ⁴F_3/2  ⁴I_11/2 (а) и соответствующие электронные переходы

Неодимовый лазер работает как в непрерывном, так и в импульсном режимах с большой частотой повторения со средней мощностью до нескольких сотен ватт.

Это оказывается возможным благодаря низким пороговым энергиям накачки, высокой теплопроводности АИГ и низким оптическим потерям. Лазер с ламповой накачкой конструктивно выполняется в соответствии со схемой 3.

Рис. 3. Схема лазерных излучателей неодимового лазера с ламповой накачкой и лазера с модулируемой добротностью

1- Активная среда, 2 – лампа накачки, 3 – корпус, 4 – зеркала резонатора, 6 – модулятор добротности, 7 - поляризатор

Лазер может быть выполнен в едином блоке с нелинейными элементами – преобразователями частоты, генерируя излучение на второй, третьей и даже четвертой гармониках в области длин волн 0.53; 0.35; 0.265 мкм при выходной мощности от нескольких мВт до единиц Вт.

Кроме основной линии излучения 1.06 мкм, обусловленной переходами

⁴F_3/2  ⁴I_11/2, возможно получение лазерного эффекта на переходах ⁴F_3/2  ⁴I_13/2 в области 1.319 мкм и на переходах ⁴F_3/2  ⁴I_9/2 в области 0.946 мкм. Однако пороговые энергии накачки для них существенно выше. [2]

1. Неодимовые лазеры с импульсной накачкой.

В качестве источника накачки в таких лазерах используются ксеноновые лампы.

Режим свободной генерации осуществляется в отсутствие в резонаторе модуляторов добротности. В этом режиме лазер излучает длинные импульсы, длительность которых близка к длительности импульса накачки, а частота следования совпадает с частотой вспышек лампы накачки. В течение импульса мощность накачки может существенно превышать таковую при непрерывном режиме, поэтому мощность излучения в течение импульса также может существенно превышать мощность непрерывной генерации. Длительности импульсов свободной генерации определяются возможностями ламп накачки и источников питания и могут варьироваться в широких пределах – от 10 мкс до десятков миллисекунд. Важным преимуществом высокой импульсной мощности излучения является возможность последующего его усиления во внешних каскадах лазерных усилителей.

Режим модуляции добротности осуществляется размещением в резонаторе активных или пассивных модуляторов. В качестве активных используются электрооптические модуляторы, как обеспечивающие необходимое быстродействие для импульсных лазеров с большим коэффициентом усиления. В качестве пассивных модуляторов применяются различные насыщающие светофильтры, времена релаксации поглощения которых заметно меньше времен развития генерации в гигантских импульсах. [1]

1. Динамические режимы работы лазера.

   1. Причины нестационарности лазерной генерации.

Реализуемые на практике режимы генерации лазеров, как правило, являются импульсными. Строго говоря, лазерная генерация всегда является нестационарной. Стационарная генерация есть по сути дела не более чем идеализация, пригодная для описания отдельных ситуаций лишь в некотором приближении.

Очевидной причиной нестационарности генерации является часто применяемая на практике нестационарная накачка, например накачка излучением импульсных ламп или импульсным электрическим разрядом. Еще одной причиной является целенаправленное изменение во времени величины вредных потерь (активная модуляция добротности) и полезных потерь (модуляция нагрузки). Нестационарности генерации может способствовать внедрение в резонатор нелинейных элементов (насыщающиеся поглотители, просветляющие фильтры).

Есть факторы, имеющие техническое происхождение, такие как нестабильность параметров резонатора, активной среды, системы накачки (неравномерность нагрева активного элемента в процессе импульса накачки, вибрация зеркал резонатора). Лазер высоко чувствителен к различного рода возмущениям его параметров.

Факторы, имеющие физическую природу, тоже имеют место быть. К ним, прежде всего, относится многомодовость лазерного излучения, имеющая место в большинстве реализуемых на практике случаев. Разным модам отвечает разная структура поля в резонаторе, разная величина коэффициентов усиления и потерь. В разные моменты времени энергия излучения может по-разному распределяться между модами.

Процессы заселения и релаксации рабочих уровней характеризуются некоторой инерционностью. Она приводит к тому, что обусловленное накачкой возрастание инверсной населенности уровней не прекращается по достижении порогового значения инверсной населенности: возникающее в процессе генерации излучение снижает эту населенность до величины, которая оказывается ниже порогового значения. В результате наблюдаются периодические изменения во времени величины инверсной населенности около ее порогового значения, что приводит к пульсациям мощности излучения.

Необходимо также знать, что лазерное излучение возникает в результате избирательного усиления первичной люминесценции. То есть первоосновой служат случайные процессы спонтанного излучения. Определяемая этими процессами нерегулярная во времени и пространстве картина упорядочивается при переходе лазера в режим генерации. [4]

1. Режим свободной генерации

Если в резонаторе лазера находится только активный элемент и нет каких-либо нелинейных элементов, то в этом случае говорят о режиме свободной генерации. Фактически, этот термин объединяет несколько разных режимов: их общая черта – отсутствие какого-либо специального управления генерацией и воздействия на нее извне. В частности, отсутствует какая-либо модуляция добротности резонатора. Свободная генерация может иметь место как в случае импульсной, так и в случае непрерывной накачки.

Наиболее интересна картина свободной генерации в твердотельных лазерах. Свободное излучение твердотельного лазера представляет собой последовательность относительно коротких импульсов или пичков. На рисунке 4 представлены осциллограммы излучения неодимового лазера. Нерегулярные осцилляции интенсивности представляют собой одну из наиболее характерных черт излучения импульсного лазера. [4]

Рис. 4. Излучение импульсного лазера, работающего в условиях свободной генерации

Отдельные пички имеют ширину от нескольких сотен наносекунд до 1 мкс и разделены временными интервалами порядка нескольких микросекунд. Общая продолжительность всех осцилляций считается длительностью лазерной генерации. В типичном лазере она составляет от 100 до 1000 мкс.

Пички в интенсивности выходного излучения были обнаружены в первых же экспериментах с рубиновым лазером в 1960 г. Однако природа пичков до сих пор остается предметом исследований. Существенное влияние на характер пичкового режима оказывает многомодовость генерации.

Длительность генерации зависит прежде всего от параметров импульсной лампы, которая служит для возбуждения активной среды. В специальных системах питания, где используется линейная импульсная лампа высокой мощности, смонтированная непосредственно на электродах высоковольтного конденсатора, длительность вспышки уменьшается до 1 мкс. Однако обычно используют не столь быстродействующие схемы питания; батарея конденсаторов емкостью в несколько сотен микрофарад заряжается до напряжения около 5 кВ, а затем разряжается через линейную или спиральную импульсную лампу. Для предохранения лампы обычно последовательно с ней включают катушку без сердечника с индуктивностью порядка нескольких сотен микрогенри. Длительность вспышки ламы составляет несколько сотен микросекунд для линейной лампы и может возрастать до нескольких миллисекунд в случае использования спиральной лампы. Таким образом, длительность лазерного импульса можно изменять в широких пределах в зависимости от длительности и интенсивности вспышки лампы накачки. [3]

Рис. 5. Возникновение «пичкового» режима

Причина возникновения "пичкового" режима объясняется следующим. Если накачка воздействует на рабочее вещество в виде мощного светового импульса, то инверсия населенностей имеет место в течение времени, когда мощность сигнала накачки превышает некоторый пороговый уровень (рис. 5а). По мере увеличения мощности накачки растет и перенаселенность верхних рабочих уровней рабочего вещества. При достижении определенной пороговой величины перенаселенности, определяемой добротностью резонатора и потерями в активном веществе, возникает генерация. Перенаселенность при этом падает и становится ниже пороговой. Генерация прекращается. Далее процесс повторяется (рис. 5б). Так как твердое рабочее вещество, как правило, является неоднородным по плотности активных центров, то отдельные неоднородности (домены) возбуждаются и генерируют независимо. Результирующее излучение при этом имеет форму хаотической гребенки коротких "пичков" длительностью ~100 мкс - 1 мс и с периодом между ними такого же порядка. Амплитуда "пичков", их длительность и период следования флуктуируют. [5]