Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Особенно высокие мощности в одномодовом режиме получают с помощью кольцевых лазеров (рис. 8.8). В линейном резонаторе по рис. 8.6 или 8.7 образуются стоячие волны, что приводит к пространственной модуляции усиления. Благодаря этой пространственной модуляции возможно скачкообразное изменение моды (см. также главу 13). В кольцевом резонаторе (рис. 8.8.) при наличии особых оптических элементов может быть индуцирована бегущая только в одном направлении волна.
Эти элементы, образующие так называемый оптический диод, состоят, например, из фарадеевского вращателя и поляризатора. При этом поляризованный свет может проходить только в одном направлении. В противоположном направлении потери столь велики, что возбуждается лишь одна циркулирующая волна.
Таким образом, при кольцевом лазере удается избежать стоячих волн, и все активные молекулы могут «работать на усиление». В одномодовом режиме, следовательно, достигается до 15 раз более высокая мощность. ОдличдсииЙ тррииий П«Р«слвдидд«дрчий ДИОД «ЛИООИ ЭТдЛОН Рис.
8.8. Кольцевой лазер на красителе для одномодовой генерации Диапазоны перестройки для лазеров на красителях при импульсной и непрерывной накачке показаны на рис. 8.9. Здесь покрывается вся видимая область спектра — почти до ИК-зоны около 1 мкм. При накачке с помощью УФ-лазеров эта зона простирается почти до ультрафиолетовой области. Большой диапазон перестройки лазеров на красителях в силу своей широкополосной флуоресценции считается одним из главных достоинств подобного исполнения. Для селекции длин волн используются разные конструкционные элементы, как то: решетки, призмы, фильтры и эталоны.
В то время как решетки находят применение, в основном, при импульсных лазерах на красителях, для непрерывной генерации больше подходят фильтры Лио. При этом речь идет о двоякопреломляшей кристаллической пластинке, установленной в пучке под углом Брюстера (см. главу 18). Перестройка осуществляется по широким диапазонам примерно от 100 нм через вращение фильтра перпендикулярно к плоскости пластины. Позади анализатора получают зависимое от длины волны пропускание, обеспечивающее ширину линии лазерного излучения О,1 нм — примерно так, как это бывает при наличии решетки. С дополнительными филь- д.д д дд д Щ д Д~дд) трами Лио большей толщины либо эталонами Фабри — Перо удается получить еще большее сужение спектра генерации лазера (рис.
8.7 и 8.8). Для одномодового режима используют обычно три фильтра или, соответственно, два эталона. При непрерывной перестройке одномодового лазера одновременно изменяются длина резонатора и пропускание селективных элементов. Диапазоны перестройки без скачков моды достигаются на уровне 100 ГГц.
Ю гщ сд ж дз о сд сз сз ж сдг- од 5,0 1,0 05 $ о щ 0Д о 0,05 400 450 500 550 600 550700 800 1000 длина волны, нм .ю Рис. 85Х Диапазоны перестройки и выходные мощности разных красителей при возбуждении непрерывными Аг+- и Кг+- лазерами. (Данные фирмы «Когерент Радиацион»). Сравнение с рис. 8.5. показывает, что у лазеров непрерывного действия диапазоны перестройки не столь широки, как у импульсных лазеров Сверхкороткие импульсы В лазерах с большой оптической шириной полосы обычно имеют место многочисленные моды.
В результате синхронизации мод возможно такое наложение отдельных волн, что с регулярными интервалами (г = 2Х/с) будут возникать короткие импульсы. При непрерывных лазерах на красителях используется синхронная накачка и пассивная синхронизация мод (см, п.17.4). Для синхронной накачки применяют ионные лазеры с синхронизованными модами. Подобные ионные лазеры генерируют импульсы длительностью 20 пс со средней мощностью около 1 Вт.
Излучение накачки вводится в краситель, как показано на рис. 8.7. Предпосылкой генерации сверхкоротких импульсов является то, что длины резонаторов лазера накачки и лазера на красителе равны с точностью до нескольких микрометров. В этом случае усиление активной среды лазера модулируется с круговой частотой света в резонаторе г'= с~2Х. При этом время отражения верхнего лазерного уровня красителя должно быть примерно на 5 нс короче 2Х/с — времени прохождения лазерного излучения через резонатор в прямом и обратном направлениях. Здесь, в отличие от активной синхронизации мод, модулируются не потери, а усиление.
В результате в лазере на красителе образуются импульсы, которые на 2 — 3 десятичных порядка короче импульсов накачки, чем обеспечивается достижение длительности импульсов около О, ! пк. ~~46 г л л р р таблица вд. Генерация сверхкоротких импульсов лазерами на красителях Длительность импульсов Способ генерации Длина цуга волн Накачка импульсным лазером Синхронная накачка Пассивная синхронизация мод Ь сжатие импульсов 100 пикосекунд 100 фем госекунл 25 фемтосекунд 6 фемтосекунд 500 000 длин волн 50 длин волн 12 длин волн 3 длины волн зкдкчи 8.1. Непрерывный лазер на красителе накачивается аргоновым лазером (расходимость пучка! мрад).
Излучение накачки фокусируется линзой с 7'= 5 см в раствор красителя, протекающий со скоростью в = 50 мггс. Сравнить длительность пребывания молекул красителя в излучении накачки с временем жизни в триплетном состоянии. 8.2. Лазер на родамине 6Ж (КТО, Х = 580 нм) накачивается азотным лазером ()ь = 337 нм). Какой будет величина максимально возможного кпд? 8.3.
Объяснить на основе геометрической оптики принцип действия трехзеркального резонатора по рис. 8.7. 8.4. Какими преимуществами обладает кольцевой лазер на красителе (рис. 8.8)? 8.5. Лазер на красителе генерирует излучение в диапазоне от 560 до 650 нм. Определить минимальную длительность импульсов при синхронизации мод. Еще более короткие импульсы до 25 фс можно получить при лазерах с пассивной синхронизацией мод. Здесь работа ведется с непрерывными лазерами накачки. Благодаря этому отпадает необходимость во взаимной стабилизации длин лазера на красителе и лазера накачки.
Синхронизация мод обеспечивается действием насыщающегося резонансного поглотителя (просветляющегося фильтра). Первоначально использовались схемы кольцевого лазера (без оптического диода) — подобного тому, что показан на рис. 8.8, но со вторым фокусом. Здесь роль насьпцающегося поглотителя также играет свободно падающий луч. В лазере формируются тогда два импульса, проходящих в прямом и обратном направлениях, встречающихся в поглотителе и просветляющих его. Одиночный импульс обладал бы меньшей интенсивностью, слабее просветлял бы поглотитель, поэтому он здесь не формируется.
Нелинейное пропускание при каждом прохождении в прямом и обратном направлениях приводит к укорочению обоих импульсов, пока не устанавливается равновесие с эффектами удлинения импульсов (групповая дисперсия скоростей). Этот способ известен также как СРМ = от англ. со111сйп8 рп!зе тоде!осЫп8. Между тем доказано, что импульсы сравнимой длительности могут генерироваться также и пассивными поглотителями в линейных резонаторах согласно рис.
8.7. Дальнейшее укорочение до единиц в несколько фемтосекунд происходит по принципу сжатия импульсов в стекловолокнах (см. таблицу 8.2), и тогда цуг световых волн состоит всего из нескольких длин. ГЛАВА 9 ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ Активная среда большинства твердотельных лазеров состоит из кристаллических или стеклянных стержней длиной в несколько сантиметров либо из дисков миллиметровой толщины, легированных оптически активными ионами.
Для этого используются обычно переходные металлы (Сг, Н1, Со) или редкие земли (1Ч|1, Ег, Но). Лазерное излучение генерируется частично во внутренних незаполненных оболочках, в значительной степени экранированных от кристаллического поля. Переходы здесь узкополосные, как и у свободных атомов, и находятся в инфракрасной или видимой области спектра. Помимо этого существуют и широкополосные уровни, необходимые для создания перестраиваемых лазеров. При легировании часть атомов (от 10 'до 1О ') замещается примесными атомами.
В соответствии с этим плотность лазерных частиц составляет около 10" см', что значительно выше плотности частиц в газовых лазерах (от 1Он до 1О" см'). Возбуждение осуществляется путем так называемой оптической накачки с использованием ламп, полупроводниковых диодов либо других лазеров. Поскольку время жизни на верхних лазерных уровнях является в большинстве случаев весьма продолжительным, в твердых телах удается накопить большую оптическую энергию с выделением высокой энергии и мощности импульсов при малой длительности последних.
Рабочее вещество для твердотельного лазера — кристалл или стекло — должно обладать благоприятными оптическими, механическими и термическими свойствами, в том числе: бессвильностью (оптической однородностью), стойкостью к растрескиванию и высокой теплопроводностью. Для изготовления кристаллов выбирают оксиды и фториды, для стекол — фосфаты и сил и каты. Из оксидов можно назвать, в частности, сапфир, гранаты и алюминаты. Первым лазерным веществом стал сапфир А1,0, рубинового лазера. Из гранатов наиболее известны У,А),Оп (ИАГ = иттрий-алюминиевый гранат), Од,Оа,Оо (ГГГ = гадолнний-галлиевый гранат) и СЫ,Бс|0а,Оц (ГСГГ = гадолиний-сканди й-галлневый гранат), используемые в неодимовых лазерах.
Из алюминатов, выбранных в качестве активной среды лазера, можно назвать УА)0,, легированный Хг(, Ег, Мо или Тт. Кроме того, находят применение легированные неоднмом вольфраматы (Хд; СаЪУО„) и бериллаты (Хд: Еа,Ве,О,). Что же касается фторидов, то здесь особый интерес представляют СаЕ, и т'Ь|Е„, легированные разными ионами — Х|1, Но и Ег. В специальном классе твердотельных лазеров энергетические уровни уширены в результате взаимодействия световых электронов с колебаниями кристаллической решетки.
Это обстоятельство позволяет таким лазерам осуществлять широкополосную непрерывную перестройку длины волны. Важнейшими представителями здесь являются лазеры: на александрите (Сг": ВеА1,0,), на Т(за (Т||'. А1,0,), фостерите (Сг1: Ма,%04), а также хром-г(БАР-лазер (Сг; Ь!згА)Р,) н др. (! ддд Г 9. д дд д Еще один класс перестраиваемых твердотельных лазеров представляют установки на центрах окраски, где используются кристаллы щелочных галогенидов с дефектами, вызывающими определенную окраску кристаллов. Ниже будет рассмотрены важнейшие твердотельные лазеры коммерческого назначения, у которых длины волн в области спектра от красной до инфракрасной составляют от 0,7 до 3 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
