Задача 18. Лазер на основе алюмоиттриевого граната с неодимом(YAG-Nd3 ) (Задачи атомного практикума), страница 2

Так лазеры на YAG:Nd3+ незаменимы в мощномнепрерывном, частотном и импульсно-периодическом режимах, где рубин и стекло неработают. С другой стороны, существенно проще изготовить большой однородный стержень изстекла, чем вырастить рубин или гранат того же размера. К тому же лазерные элементы изнеодимового стекла имеют существенно более низкие потери на рассеяние и поглощение нанеоднородностях. Однако стекло имеет существенно худшую теплопроводность, чем4кристаллы, и поэтому применяется там, где нужно получить большую энергию или мощность водиночном импульсе.Несмотря на существенные преимущества неодимового лазера по сравнению с рубиновымКПД лазера с ламповой накачкой обычно не превышает 1-2%. Основная беда – узкие полосыпоглощения иона Nd3+ (Рис.1.8, а) плохо согласуются с непрерывным спектром излучениялампы накачки (Рис.1.8, б).

Эффективность накачки и КПД можно резко повысить, еслииспользовать вместо лампы накачки полупроводниковые лазеры (лазерные диоды).Рис.1.8 а) Спектр поглощения от 0,2 до 2,5 мкм кристалла Y3Al5O12-Nd3+ при 300Кб) Спектральное распределение кпд импульсной трубчатой ксеноновой лампы вединичном телесном угле при удельной мощности разряда 110 Вт/см35Полупроводниковые лазеры, накачиваемые электрическим током, имеют КПД до 50%.Подобрав состав и структуру полупроводника можно заставить его излучать точно в полосупоглощения иона Nd3+, что существенно повышает эффективность накачки. При этом КПДнеодимового лазера всё равно будет ниже чем у полупроводникового, но качество излучениянамного выше.1.4. Метод модуляции добротности (Режим генерации гигантского импульса)Метод модуляции добротности резонатора лазера позволяет получать лазерную генерацию ввиде коротких импульсов (10-9 – 10-7c) с высокой пиковой мощностью (106-109Вт).

Основнаяидея – в резонатор лазера помещается затвор. Когда затвор закрыт, генерация возникнуть неможет, так как отсутствует положительная обратная связь в резонаторе, и инверснаянаселённость может достичь гораздо больших значений чем пороговое без затвора. Еслитеперь быстро открыть затвор, то включитсяположительная обратная связь, усиление влазере существенно превысит потери, и всянакопленная энергия выделится в виде оченькороткого и мощного импульса. Добротностьрезонатора при этом резко меняется от низкой квысокой, поэтому метод и называетсямодуляцией добротности.

Как это происходит вовремени иллюстрирует рис.1.9, на которомпоказаны: временные зависимости а) скоростинакачки, б) потерь резонатора, в) инверсиинаселённостей, и г) числа фотонов. 0-моментвключения затвора.Важноеусловиереализациирежимамодулированной добротности – длительностьимпульса накачки должна быть меньше, чемвремя жизни верхнего состояния или сравнима сним.

В противном случае большая часть энергииРис. 1.9накачки будет теряться на спонтанноеизлучение, а не накапливаться в виде энергии инверсной населённости. Когда затвороткрывается, усиление в резонаторе значительно превышает потери и число фотонов резковозрастает относительно начального значения, определяемого спонтанным излучением.Соответственно инверсия уменьшается до её начального уровня Ni. Когда она падает допороговой величины Np, будет достигнута максимальная мощность лазерного излучения. Затемпотери превысят усиление, и мощность лазерного излучения быстро упадёт до 0, т.е.

импульспрекратится. Заметим, что передний фронт лазерного импульса оказывается короче заднего.Временной масштаб на рис.1.9 сильно искажён. Например, в лазере на YAG:Nd3+, где времяжизни верхнего уровня 230 мкс, длительность накачки выбирается в диапазоне 100-200 мкс, адлительность гигантского импульса 10-50 нс, т.е. на четыре порядка меньше.61.5.Работа электрооптического затвора.Для реализации режима модулированной добротности применяются различные типызатворов: механические, акустооптические, пассивные. В данной задаче используетсяэлектрооптический затвор, действие которого основано на эффекте Поккельса в нелинейномкристалле (дигидрофосфат калия – КDP, дейтерийфосфат калия-DKDP, ниобат лития и др.).Схема затвора приведена на (Рис.1.10).

Если ктакому кристаллу приложить постоянноевысокое напряжение 1-5кВ, то в нёмизменяетсяпоказательпреломления,возникает наведённое двулучепреломление,пропорциональноеприложенномунапряжению. Ось поляризатора образует угол450 с главными осями двулучепреломляющегокристалла, т.е. поляризатор пропускает кячейкеПоккельсатолькоизучение,поляризованное вдоль оси поляризатора. Припроходе через кристалл, к которомуприложено четвертьволновое напряжениепроисходит сдвиг фазы световой волны наПотом, отразившись от зеркалапройдячерез кристалл,λ.4и сноваволна ещё раз претерпевает сдвиг наРис.1.10λ.

Таким образом, на4поляризатор падает волна, поляризация которой перпендикулярна оси поляризатора. Этоизлучение не пропускается поляризатором, отражается от него и выводится из резонатора. Т.е.затвор закрыт и усиления излучения за проход по резонатору не происходит. Если теперь сячейки Поккельса быстро снять высокое напряжение, сдвига фазы при проходе через кристаллне будет, затвор откроется и возникнут условия для генерации гигантского импульса.2. Экспериментальная установка2.1. Лазер LOTIS TiiОсновой экспериментальной установки является лазер производства белорусскояпонского совместного предприятия LOTIS Tii (г.Минск). На рис. 2.1. приведена фотографияблока излучателя лазера с открытой крышкой, а оптическая схема лазера представлена на рис.2.2.

Резонатор лазера образован глухим-99% (1) и выходным (5) зеркалами. Лазер можетработать как в режиме генерации одиночного импульса, так и в частотном режиме с частотойследования импульсов до 15 гц. Активным элементом является кристалл алюмоиттриевогограната с примесью неодима (YAG:Nd3+) (4) Оптическая накачка осуществляется импульснойксеноновой лампой (10), помещённой вместе с активным элементом в диффузныйотражатель(11). Отражатель обеспечивает однородную засветку активного элемента ифильтрацию ультрафиолетовой части излучения лампы накачки, препятствующуюэффективной работе активного элемента.

Непрерывное охлаждение активного элемента, лампынакачки и отражателя производится дистиллированной водой, поступающей из блокаохлаждения. Активный элемент, лампа накачки и отражатель объединены в конструктивный7блок, называемый квантроном, к которому подводится охлаждение и питание лампы накачки.Режим гигантского импульса реализуется с помощью электрооптического затвора (ЭОЗ λ /4) накристалле DKDP (2) и тонкоплёночного поляризатора (3). Поляризатор устанавливается так,что угол падения лазерного излучения составляет 54-580, что обеспечивает пропусканиеизлучения только с «нужной» поляризацией.

Преобразование излучения основной частоты (λ=1,064 мкм) во вторую гармонику (λ =0,532мкм) происходит в нелинейном кристалле КТР(фосфат титанила калия KTiOPO4 (7), вырезанном для преобразования по II типу скалярного900 синхронизма (оее), при этом угол между плоскостями поляризации излучения второйгармоники и основной частоты (на входе в КТР) составляет 450. Спектроделители (8)осуществляют разделение излучения второй гармоники и основной частоты. Вращатель изоптически активного кварца (6) поворачивает горизонтальную плоскость поляризацииосновной частотына 450, обеспечивая поляризацию излучения второй гармоники вгоризонтальной плоскости. Внутрирезонаторная шторка или Shutter(12) служит длякратковременного прерывания генерации без выключения лампы накачки, а съёмнаядиафрагма(9) - для выделения основной поперечной моды излучения лазера.8Рис 2.22.2.

Регистрация излученияСхема экспериментальной установки приведена на рис.2.3. Излучение, 1-й и 2-йгармоник, выходящее из лазера, с помощью отклоняющих пластинок (2) подводится крегистрирующей аппаратуре. Форма и длительностьимпульсов лазерного излучениярегистрируется лавинными фотодиодами лфд-2 с временным разрешением 2 нс. ФД1 (3)регистрирует излучение 1-й гармоники, а ФД2 (4) – соответственно второй.

Кремниевыйфотодиод ФД0(5), помещённый в корпус лазера, регистрирует излучение лампы накачки.Питание фотодиодов (9 вольт) производится от батареек типа «Крона», размещённых вкорпусах фотоприёмников. Перед фотодиодами ФД1 и ФД2 установлены ступенчатыеослабители (аттенюаторы) (6;7) , выполненные в виде наборов нейтральных светофильтровразличной оптической плотности. Перед ФД1 также установлен светофильтр ИКС1(8),отсекающий остаточное излучение 2-й гармоники, а перед ФД2 светофильтр СЗС25(9), дляотсечки остаточного излучения 1-й гармоники.Сигналы с выхода фотодиодов передаются на цифровой запоминающий цифровойосциллограф TEКTRONIХ TDS2022B,.

Работа с осциллографом более подробно изложена вПриложении 1. Энергия излучения измеряется с помощью пироприёмника фирмы «ОPHIR»(10). Сигнал с выхода пироприёмника через интерфейс и USB-порт передаётся на компьютер.ВАЖНО! Пироприёмник измеряет не полную энергиюимпульса лазерногоизлучения, а ту её часть, которая попадает на него после отклонения плоскопараллельнымипластинками, расположенными на пути распространения излучения основной частоты ивторой гармоники. На каждой из двух поверхностейотклоняющей пластинки излучениелазера испытывает френелевское отражение. Коэффициент отражения, как известно, зависит отпоказателя преломления стекла, из которого изготовлена пластинка, и от угла паденияизлучения.