Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 3

Таким образом, при непрерывной оптической накачке двухуровневой сре­ды в стационарных условиях инверсию населённостей получить не удастся. Для преодоленияэтого препятствия были предложены энергетические трёх- и четырёхуровневые схемы опти­ческой накачки, в которых используется возбуждение промежуточных состояний с последу­ющей безызлучательной релаксацией с/на них. При этом во всех случаях энергия квантаизлучения вынужденной люминесценции оказывается меньше энергии кванта излучения на­качки.

В процессе релаксации возбуждений в активной среде разница энергий переходит втепло. Таким образом, разогрев активной среды твердотельного лазера является неотъемле­мым фактором, влияющим на режим работы прибора.Основные типы активных сред для твердотельных лазеров с оптической накачкой былипредложены ещё в начале 60-х гг. Это оптически прозрачные кристаллы легированые ионамипереходных элементов (напр., упомянутый ранее рубиновый лазер [20]) либо редкоземельныхэлементов (Nd:YAG-лазер [21]), а также стёкла, легированые редкоземельными ионами [22].Большинство современных лазеров подобного типа являются производными от этих трёх(исключение составляют лазеры на центрах окраски), получаемых подбором кристаллов илистёкол и легирующих примесей, а также оптимизацией активной среды с точки зрения ихприменения в тех или иных режимах работы.При проектировании активных сред исследователи столкнулись с рядом задач:1.

Достижение высоких значений КПД преобразования излучения накачки влазерное излучениеВ первых типах твердотельных лазеров в качестве источника накачки применялисьгазоразрядные лампы-вспышки. Вследствие этого, возник ряд существенных техноло­гических проблем, препятствующих достижению высокой эффективности преобразова­ния накачки.Одна из них – необходимость согласование спектров излучения источников накачкии спектров поглощения активной среды.

Широкие спектры излучения ламп накачкине позволяли обеспечивать достаточно высокий коэффициент поглощения. Частичноданную проблему удалось решить с использованием сенсибилизации – введением вактивную среду элементов другого типа, роль которых сводится к поглощению из­11лучения в более широком спектральном диапазоне и резонансной передаче возбужде­ния активным ионам. К примеру, в Nd:YAG лазерах в качестве сенсибилизаторов мо­гут быть использованы ионы 3+ , также нашли применение пары ионов Nd3+ :Yb3+ иYb3+ /Er3+ [23].Другая существенная задача в таких лазерах – увеличение пространственного пере­крытие объёма активной среды и излучения оптической накачки.

Неоднородное рас­пределение инверсии (к примеру, в АЭ циллиндрической геометрии при увеличенииконцентрации активных ионов при прочих равных параметрах снижается степень ин­версии в центральной области) существенно ограничивает коэффициент усиления длязаданной геометрии активной среды. Таким образом, для повышения КПД лазера уве­личению концентрации ионов активатора должно соответствовать необходимое умень­шение объёма активной среды.

В этом случае на первый план выходит проблема кон­центрационного тушения люминесценции: на процессы поглощения и излучения светаактивными ионами в ряде случаев существенное влияние оказывает их взаимодействие,приводящее к безызлучательной передаче энергии возбуждения от одних ионов (доно­ров), к другим (акцепторам) - миграции, если речь идёт об одноимённых ионах илитушению в случае ионов различной природы. Важною роль здесь играет наличие эк­видистантно расположенных уровней в энергетическом спектре активных ионов (прикотором возможны процессы апконверсии, т.е.

передачи энергии возбуждения ионамуже находящимся в возбуждённом состоянии), ширина этих уровней, а также скоростьбезызлучательной релаксации на акцепторах возбуждений. Среди большинства исполь­зуемых в лазерной физике редкоземельных ионов (Yb3+ , Er3+ , Nd3+ , Tm3+ , Pr3+ ) толькоионы Yb3+ обладают наиболее оптимальными с этой точки зрения характеристиками:отсутствием эквидистантных полос поглощения и разностью энергии основного и мета­стабильного уровней ( 10000 см−1 ), значительно превосходящей энергию акустическихколебаний в большинстве кристаллов и стёкол.Многие из описанных выше проблем удалось решить после создания полупроводни­ковых гетероструктур и лазеров на их основе [24], работающих при комнатной тем­пературе. Использование узкополосной накачки излучением мощных полупроводнико­вых лазерных диодов позволило существенно повысить КПД лазеров и усилителей иобойтись без использования сенсибилизаторов, осуществляя селективную накачку непо­средственно в полосы поглощения активных ионов[25].

Именно накачка с помощью по­12лопроводниковых лазеров позволила обеспечить однородность возбуждения активнойсреды твердотельного лазера, а также выдвинула на первый план основные преиму­щества кристаллов и стёкол, легированных ионами Yb3+ [26, 27]. Помимо указанногоранее отсутствия процессов кооперативной апконверсии, иттербиевые активные средыобладают существенно лучшими тепловыми характеристиками, о которых подробнееуказано в следующем пункте.2. Разогрев активной среды твердотельного лазераКак было указано выше, разность энергий квантов излучений накачки и лазерной гене­рации переходит в тепло и приводит к разогреву активной среды. Интенсивное тепловы­деление в активных элементах традиционных твердотельных лазеров на кристаллах истёклах приводит к сильно неоднородному разогреву среды и оптическим искажениямлазерного пучка.

Термооптические искажения, вызванные неоднородным разогревом,за счёт фотоупругого эффекта и тепловой линзы являются основным источником аб­бераций и оказывают значительное влияние на параметры генерируемого излучения[28, 29].Основными параметрами, определяющими тепловой режим работы лазера являютсякоэффициент поглощения оптического излучения активной среды, теплопроводностьактивного элемента, температурные коэффициенты расширения и показателя прелом­ления, механическая прочность АЭ, а также его геометрия. Именно в этом аспектепроявляется существенное отличие легированных кристалов и стёкол. В качестве при­мера в таблице 1.1 приведены некоторые теплофизические и термооптические свойствакристалла алюмоиттриевого граната и плавленного кварца.YAGПлавленный кварцВтТеплопроводность , м·К131.46Объёмная теплоёмкость , мДж3 ·К2.872.14Коэффициенттермического6.3 · 10−64 · 10−7Температурныйкоэффициент7.6 · 10−61 · 10−5показателяпреломленияраcширения , −1 = / , −1Таблица 1.1.

Тепловые и термооптические свойства кристалла YAG и плавленного кварца13Как видно из таблицы, при близких значениях теплоёмкости, кварцевое стекло обла­дает существенно меньшей теплопроводностью и гораздо более высоким значениемтемпературного коэффициента показателя преломления. В непрерывном режиме ра­боты при высоких мощностях это приводит к значительным искажениям лазерногопучка и снижению тепловой и лучевой стойкости активного элемента. Низкая тепло­проводность стекла в объёмных АЭ ограничивает их применение в основном лазерамис относительно небольшой интенсивностью излучения.

В то же время лазерные стёклаобладают рядом существенных преимуществ: высокая оптическая однородность и про­зрачность, возможность изготовления активных элементов любых форм и размеров,а также возможность введения ионов активатора в широком диапазоне концентрацийс равномерным распределением по объёму и без существенных проявлений эффектаконцентрационного тушения.Ещё одним параметром, существенно влияющим на тепловой режим работы прибораявляется геометрия АЭ, а именно соотношение площади поверхности к объёму. Необхо­димость снижения тепловой нагрузки на активный элемент явилась ещё одним факто­ром, приводящим к уменьшению поперечных размеров активной среды. Два основныхтипа мощных твердотельных лазеров, получивших наибольшее распространение вслед­ствие их уникальных тепловых характеристик - это дисковые и волоконные лазеры.В типичной конфигурации дисковый лазер представляет собой диск из кристалла ит­трий-алюмимниевого граната толщиной 200 мкм, легированный редкоземельными иона­ми (Yb3+ ) до концентрации 10 ат.%.

(что соответствует коэффициенту поглощения по­рядка 10 см−1 = 4.4·103 дБ/м на длине волны накачки 960 нм). Накачка кристаллаосуществляется объединённым излучением набора мощных полупроводниковых лазер­ных диодов, направляемым на одно из оснований диска. Поверхность другой сторонынаходится в тепловом контакте с металлическим радиатором, осуществляющим интен­сивный теплоотвод.

Благодаря отсутствию поперечных градиентов температуры, актив­ный элемент позволяет обеспечивать высокую интенсивность генерируемого излучениябез существенных аббераций и искажения волнового фронта. Наибольшая мощностьодномодового лазера непрерывного режима работы, полученная на сегодняшний день,составляет 4 кВт [30].Другой тип миниатюризированной конфигурации, эффективно решающей проблемутеплоотвода - волоконный лазер. Активная среда такого лазера представляет собой14цилиндрический волновод из плавленного кварца диаметром 125 мкм, сердцевина ко­торого (диаметром около 10÷20 мкм) легирована редкоземельными ионами.