Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 32
Текст из файла (страница 32)
9.1. Рубиновые лазеры Рубиновый лазер является первой реализованной на практике лазерной системой. Здесь в качестве активной среды используется кристаллический стержень из синтетического рубина, основу которого составляет кристалл А1,0, (сапфнр), легированный трехвалентными ионами хрома (Сг'+: А1,0,). При вытягивании кристалла в данном случае к расплаву А1,0, добавляется 0,05 весовых % Сг,О,, в результате в кристаллической решетке примерно 10" ионов А!" замещаются ионами Сг", что и придает кристаплу характерную красноватую окраску.
Лазерные переходы происходят в электронных оболочках ионов Сг" Схема энергетических уровней Упрощенная схема энергетических уровней рубинового лазера показана на рис. 9.1. В результате оптической накачки (обычно с применением лампы-вспышки) электроны поднимаются с основного уровня 4А, в зоны 4Р, и дГг Спектр поглощения рубина для света накачки отображен на рис. 9.2. Используемые там обозначения энергетических уровней не соответствуют обозначениям, принятым в отношении свободных атомов и ионов, а заимствованы из теории кристаллических полей, описывающей воздействие электрического поля внешних атомов активного кристалла на примесные центры Сг" От полос поглощения электроны менее чем за 1 наносекунду безызлучательно переходят в верхний лазерный уровень 'Е, который расщепляется на уровни Е и 2А с интервалом 29 см '. Между двумя этими уровнями осуществляется быстрый энергообмен (< 1 нс), так что можно вычислить соотношение величин населенности по распределению Больцмана.
Для комнатной температуры получают почти одинаковую заселенность обоих уровней, а общее время жизни на Е и 2л составляет 3 мс; эти уровни обозначаются как метастабильные состояния. Благодаря их долгому времени жизни большое число электронов во время короткого импульса света накачки имеет возможность собраться в верхнем лазерном уровне, так что при достаточно интенсивном поглощении возникает перенаселенность по сравнению с основным состоянием.
Флуоресценция состоит из линий Я, и Я, уровней Е и, соответственно, 2л. Линия Я, достигает порога генерации лазера раньше, так что обычно только она и возбуждается. Из рис. 9.2 видно, что поглощение света накачки носит анизотропный характер, то есть зависит от направления напряженности светового поля Е относительно оси кристалла. То же относится и к эффективным поперечным сечениям излучения, в связи с чем лазерное излучение поляризовано в том самом направлении, 9.!. Руб е и 149) 3 мс ьт о.
Д 1 44 г Рнс. 9.1. Энергетический уровень н переходы у рубинового лазера зеч 2еч 10 7 в о 4 Е (с и г $ 1 0 о 0,7 3 Евс $ 0,4 (б94 нм) 0,2 синяя зеленая область область Лазер спектра спектра О,1 0,07 300 350 400 450 500 550 600 550 700 750 50 30 20 бе 3 т~в 15 сЕ оо 1 Гс 0,7 0,4 Длина волны, нм Рис.
9Д. Спектр поглощения рубина (легирование 1,9 1Ои см' в А1,0,) при комнатной температуре (верхняя кривая: электрическое поле света перпендикулярно оси с; нижняя кривая: то же, параллельно оси с) (по данным Кнойбюля, Зигриста и Кехнера) где эффективное поперечное сечение является наибольшим для вынужденного излучения. Рубиновый лазер есть двухуровневая система, недостаток которой заключается в том, что около 50 % атомов должно быть возбуждено, прежде чем будет достигнута перенаселенность и произойдет усиление света.
Это требует высокой энергии накачки дпя достижения порога лазерного излучения. Благоприятно сказывается долгое время жизни (3 мс) на верхнем лазерном уровне, позволяющее сохранить умеренную мощность накачки. Необходимая высокая скорость накачки в практических условиях может быть получена только в импульсном режиме. Еще одним недостатком трехуровневой системы является то, что самопоглощение происходит, в частности, в слабо накаченных зонах кристалла. 8'~50 Г 9. т.дд ° д В качестве альтернативы рубиновому лазеру может быть предложена система Рг: У) 1Ре Там легированный празеодимом иттрий-литий-фторидный (ИЛФ) кристалл имеет несколько линий излучения в красной области спектра и представляет собой 4-уровневый лазер, нуждающийся в гораздо меньшей энергии накачки, чем устройство на рубиновом стержне.
Правда, кристаллы ИЛФ в механическом смысле не столь стабильны, как рубиновые кристаллы, но зато с ними очень легко обращаться. Излучениерубиновыхлазеров Длина волны рубинового лазера (Я;линия) составляет 694,3 нм при комнатной температуре. Эта линия однородно уширена с частотой 300 ГГц. За такое уши рение отвечают колебания решетки, которые резонансную частоту каждого лазерного атома модулируют с очень высокой частотой, в результате чего и происходит уширение. При охлаждении до 77 К (температура жидкого азота) длина волны сдвигается до 693,4 нм. В рубине может быть возбуждена и вторая линия Я, с длиной волны 692,9 нм— при условии подавления нормально возникающей линии А . Линия А, исходит от уровня 2 А, находящегося примерно над уровнем Е.
Так как между обоими уровнями происходит быстрое взаимодействие, линия Яо обладающая более высоким показателем усиления, при генерации лазера уменьшает перенаселенность. Максимальная энергия в импульсе у рубинового кристалла определяется на основе концентрации Сг (примерно л = 1,6 1О" см ') и энергии фотонов (11/= 1,8 эВ = 2 86 10 ' Вт-с). При сверхсильной накачке основное состояние полностью опустошается. Тогда имеем в уровнях 28 и Е плотность запасенной энергии в кристалле: Е = л-д(/= 4,6 Дж/см'.
В лазерном импульсе можно получить, таким образом, максимальную плотность энергии: Е, = л//2 = 2,3 Дж/см'. При этом предполагается, что верхний лазерный уровень в процессе излучения больше уже не подлежит накачке. Рубиновый лазер, как и все прочие твердотельные лазеры, может использоваться в следующих режимах генерации: нормальном (или стандартном), с модулированной добротностью, с синхронизацией мод (см.
таблицу 9.1). Непрерывный режим (мощность 1 мВт) практического значения не имеет. В стандартном (нормальном) режиме излучение рубинового лазера осуществляется во время импульса накачки не непрерывно, а с сильными статистическими пульсациями мощности — так называемыми «пичками» (рис. 9.3). В особых случаях наблюдаются также регулярные, или закономерные релаксационные колебания. Появление «пичков» может расцениваться как процесс установления лазера, который после включения света накачки достигает своей стационарной интенсивности только после того, как его мощность многократно превзойдет стационарное конечное значение.
Данное явление успешно используется при решении проблем обработки материалов. таьддядда ЗЛ. Разные режимы работы рубинного лазера (д. = 694,3 нм) с типовыми характеристиками излучения 9. 1. Рубиновые лазеры ~~~51 ) Лампа-вспышка Интенсивность Лазер Время 100 мкс Рнс. 9З, Нормальные импульсы излучения («яички») у рубинового лазера (нижняя кривая) и импульсы лампы-вспышки (верхняя кривая) Для получения определенных свойств пучка при высокой энергии используют схему генератор — усилитель. В генераторе проще контролировать расходимость пучка, распределение интенсивности в пучке (предпочитается ТЕМзз-мода), ширину линий и изменение излучения во времени, поскольку отсутствует необходимость в одновременной высокой выходной энергии. Последняя достигается с одной либо несколькими ступенями усилителя.
Максимально возможный показатель усиления составляет д = О 2 см ~. Таким образом, со стержнем длиной 20 см возможно усиление С = е'= 50, что вполне может быть реализовано на практике. При этом следует иметь в виду, что такие величины усиления относятся только к низкой входной интенсивности. Конструктивное исполнение рубиновых лазеров Стержни коммерческих рубиновых лазеров изготовляются обычно длиной 30 см и диаметром до 2,5 см. Оптимальное легирование составляет 0,05 весовых % Сг,О,, что соответствует концентрации Сг": л= 1,6.
1О" см ' Для достижения порога лазерного излучения требуется минимальная энергия накачки: Е,=0,5 л й Г' -- 3,2 Дж-см ', причем )ту; = 4 1О "Дж означает энергию одного фотона накачки. Из-за потерь на преобразование электрической энергии в световую н на ввод световой энергии влазерный стержень плотность электрической пороговой энергии накачки (до 100 ДжГсмз) оказывается значительно выше. При плотности энергии накачки от 200 до 800 Джтсмз достигаются — в зависимости от длительности импульсов накачки — плотности выходной энергии: Е„„= 2 — 4 ДжГсмз с коэффициентом полезного действия до 1 %.
Выбранный источник накачки должен соответствовать спектру поглощения (рис. 9.2). В результате накачки лазерный стержень нагревается и может оказывать фокусируюшее действие. С учетом этого, частота импульсов ограничивается несколькими Пц. Техническое исполнение такого устройства приближается к конструкции лазера на стекле с неодимом, о чем подробнее сообщается в следующем разделе. Важной областью применения рубинового лазера считается голография. Для этого приходится существенно сокращать число продольных мод ниже ширины ~~а~ г ят*рь р линии, чтобы получить длину когерентности в несколько метров. Путем установки частотно-селективных элементов удается уменьшить ширину линии, например, с 300 ГГц до 30 МГц.
При этом используются лазерно-усилительные системы с энергией от 1 до 1О Дж. 9.2. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом и альтернативные варианты Известным твердотельным лазером является также неодимовый лазер, у которого генерируется излучение ионов Игр' Ион Игр' может быть встроен как активатор в разные рабочие вещества, причем для целей генерации лазерного излучения чаще всего привлекают кристаллы ИАГ (иттрий-алюминиевый гранат — У,А),0о) и различные стекла. Кристалл ИАГ обладает высоким усилением и подходящими механическими и термическими свойствами, так что он находит применение в многочисленных непрерывных и импульсных лазерах.
Лазер на алюмоитгриевом гранате с неодимом относится к важнейшим типам лазеров, предназначенных для использования в науке и технике, особенно в измерительной технике, а также при обработке материалов, в медицине, спектроскопии и голографии. Другим не менее популярным кристаллом является Хд: Сг: ГСГГ (гадолиний-скандий-галлиевый гранат, см, выше), у которого полосы поглощения отлично подходят к излучению ламп-вспышек, что дает высокий коэффициент полезного действия. К недостаткам же можно отнести сильные тепловые фокусирующие эффекты, возникающие в результате нагревания при оптической накачке.
Для специального применения, например, в качестве генератора с синхронизованными модами в больших стеклянных лазерах, используемых при исследованиях плазмы, выбирается устройство на )Чг): ИЛФ (легированный неодимом иттрийлитий-фторид). Лазеры на стекле с неодимом отличаются большой шириной полосы, что чрезвычайно важно при генерации коротких импульсов. Стекло при этом может выполнять функцию усилителя высокой энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
