Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Непрерывный режим работы лазеров на стекле с неодимом невозможен из-за недостаточного усиления. Схема энергетических уровней лазеров йй ИАГ В настоящее время для лазеров на стекле с неодимом чаще всего используют кристалл иттрий-алюминиевого (алюмоиттриевого) граната, легированный неодимом.
Чистый иттрий-алюминиевый гранат (У,А1,0п) — это бесцветный, оптически изотропный кристалл кубической структуры. В результате легирования в расплаве с Хд,0, примерно 1 % ионов У" замегдается ионами МР" с достижением плотности Хд": л = 1,4 1О" см '. Радиусы обоих редкоземельных элементов различаются на уровне 3 %, так что при слишком сильном легировании могут возникать напряжения.
Электронная конфигурация (Кг) Ы"4)'5з'5р' иона )Чд'" отличается тем, что подоболочка 4Узаполнена лишь частично. При свободных ионах для этой конфигурации образуется целый ряд разных энергетических состояний, обозначаемых согласно 9.2. д Р д д д ~~дд схеме связи Рассела — Саундерса ().Б) (например, 'Еяп дд', щ). Дополнительное влияние кристаллического поля довольно слабо по сравнению с системой Сг": А1,0„ так как 4у'-оболочка экранирована электронами 5з и 5р. Поэтому энергетические состояния ионов в кристалле в значительной степени соответствуют энергетическим состояниям свободных ионов, причем под действием электрического поля кристалла происходит небольшое дополнительное расщепление. Упрощенная схема энергетических уровней лазера на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом (Хг): ИАГ), приведена на рис.
9.4а. Для большей части коммерческих лазеров характерно излучение с линией самой высокой интенсивности при 1,064 мкм между уровнями 4Р„, и 41, ьг Другие лазерные линии более подробно представлены на рис. 9.4б и в таблице 9.2. Возбуждение осуществляется на основе оптической накачки в широкие энергетические зоны и безызлучательных переходов в верхний лазерный уровень. Освобождаюгцаяся при этом энергия в виде тепла отдается кристаллу Рис. 9.5 демонстрирует флуоресцентную энергию около 1,06 мкм как функцию длины волны возбуждения.
Здесь отчетливо видны разные зоны накачки, из которых энергия безызлучательно передается на верхний лазерный уровень. Уровень 'Едд обладает временем жизни около 230 мкс. Столь долгая жизнь объясняется тем, что в свободном ионе электрические дипольные переходы в пределах одной конфигурации не происходят согласно правилам отбора по четности.
При наличии дефекта кристаллического поля правило отбора, действующее в отношении свободного иона, теряет силу. Время для безызлучательного перехода с нижнего лазерного уровня 42 „, в основное состояние равняется примерно 30 наносекундам. Нижний лазерный уровень лежит на 0,24 эВ выше основного уровня, и поэтому при комнатной температуре он практически не заселен.
Лазермоеизлучемие Лазер на стекле с неодимом представляет собой четырехуровневую систему обладающую преимушеством сравнительно низкого порога генерации. Лазерные линии в алюмоиттриевом гранате однородно уширяются в результате тепловых колебаний кристаллической решетки. Ширина линии при комнатной температуре составляет порядка 100 ГГц, что не так много для твердотельного лазера. Это служит предпосылкой высокого усиления при относительно небольшой мощности накачки.
С учетом всего вышесказанного, кристалл Хг): ИАГ отлично подходит на роль активной среды для высокомощных лазеров непрерывного действия. При обычных рабочих температурах лазер на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом, генерирует только самую интенсивную линию 'Р;„-+ 4Увп с длиной волны 1,0641 мкм. Благодаря применению частотно-селективйых элементов в резонаторе (эталон, призма, селективные зеркала) могут возбуждаться и многие другие линии. Таблица 9.2 демонстрирует относительную интенсивность разных лазерных переходов специального непрерывного лазера. При охлаждении лазерного кристалла доминирует линия 1,061 мкм.
При низких температурах или в результате накачки лазерными диодами дополнительно могут создаваться и другие (~~ ° 4 т Кт ррг р а) 2,5 2,0 1,55 О. 1,0 0,5 б] Зоны накачки Расщепление кристаллическим попер 2,0 п502 Смч П42ЗСМч 1,З 4 мкм м 1,5 а' О. 1,0 Ззм См' 2514 См 4 2461 СМ ~ 44»- !1 ~см-1 20 002 Сыр 0,5 0 Основное состояйиещЪф Рис.
9.4. (а) Обзорная схема: энергетические уровни у лазера )чт); ИАГ. (5) Подробное представление энергетических уровней у лазера Хб: ИАГ (по данным Камински). Важнейшие переходы с 4р,,-уровня: — а 1„, (0,9 мкм: относительная интенсивность 0 25) — +! 1172 (1 06 мкм: 050) — р 1„и (1,35 мкм: 0 14) 4! нл (1,7 — 2,! Мкм; < 0 01) переходы, особенно при 0,946 мкм и 1,839 мкм. Коммерческие лазеры генерируют излучение около 1,064 мкм и — реже — 1,3 мкм.
92Л р р * р д О,8 и о Й ое о В о с 0,4 о,г о,о 800 820 840 860 880 900 Длина волны в нм Рлс. 9лк спектр поглощения )чо: иАГ (легирование 1 %). Для накачки лазера ) ы: ИАГ с использованием лазерных диодов подходят длины волн 808, 869 и 885 нм тае а 9.г. Важнейшие стч-линии лазеров на )хЫ: ИАГ с накачкой лампойвсп ышкой при комнатной температуре (Х соответствует многообразию "1орг а У вЂ” многообРазию дтпл на Рис. 9.4; цифровые индексы служат для нумерации подуровней в направлении снизу вверх) (по данным Кехнера) 156 Глава 9. Твердашельныелазеры ГМ твблвпв у.з. Разные режимы генерации лазера на )хЫ: ИАГ ()ь = 1,06 мкм) Частота импульсов Длительность импульсов Режим генерации Возбуждение Мошность непрерывный режим (сп) с модулированной добро~ность ю с опустошением резонатора с синхронизацией мод стандартный импульсный режим с модулированной добротность ю с опустошением резонатора с синхронизацией мод Вт кВт !00 кВт непрерывное непрерывное непрерывное непрерывное импульсное импульсное импульсное импульсное О...
!00 кГц О... 5 МГц !00 МГц до 200 Гц до 200 Гц до 200 Гц до 200 Гц 0,1... 0,7 мкс 1О... 50 нс 3... 100 пс О,!... !О мс 3... 30 не 1...3 не 30 пс 1О кВт !О МВт !О МВт несколько ГВт Предлагаемые лазерные стержни из алюмоиттриевого граната имеют длину до 150 мм и диаметр до 1О мм. Кристалл ИАГ легируется неодимом в объеме примерно 0,7 весовых %, что соответствует концентрации Хд"-ионов: 1,4 10" см'. В коммерческом варианте лазера можно, например, с ИАГ-стержнем длиной 75 мм и диаметром 6 мм получить выходную мощность около 300 Вт при коэффициенте полезного действия до 4,5 %. Порог лазерного излучения достигается примерно при 2 кВт мощности лампы электрической накачки (дуговая Кг-лампа). Для многих применений целесообразнее выбрать накачку с помощью лазерных диодов (рис.
9.5). Лазеры на ИАГ непрерывной накачки функционируют и с периодической модуляцией добротности, в результате чего создаются импульсы длительностью в несколько сотен наносекунд, пиковые мощности в несколько сотен кВт и частота повторения импульсов в несколько кГц. Е!пе более короткие импульсы до 1100 пс могут быть генерированы на основе активной синхронизации мод (см. таблицу 9.3). Лазеры на стекле с неодимом относятся к четырехуровневым системам. Поэтому, в отличие от рубинового лазера, они могут успешно работать в непрерывном режиме. При импульсном возбуждении получаются меньшие энергии накачки и более высокие кпд — до нескольких процентов. В свою очередь, меньшая энергия накачки позволяет более высокие частоты следования импульсов — до кГц-диапазона, а при непрерывном возбуждении — до 100 МГц.
На рис. 9.6 выходная энергия представлена в виде функции электрической энергии накачки с помощью лампы-вспышки для небольших ИАГ-лазеров (кристалл длиной 50 мм с диаметром 5 мм). Выходная энергия сильно зависит от режима генерации. Сравнительная характеристика свойств излучения для работы с нормальным импульсом, с модуляцией добротности, с опустошением резонатора и синхронизацией мод приведена в таблице 9.3. В стандартном режиме, как и в случае рубинового лазера, возникают статистические релаксационные пульсации (упомянутые выше «пички») — см. также рис.
9.3. Качество лазерного луча снижается по мере повышения энергии накачки. С учетом этого, для улучшения свойств излучения используют, как в случае с рубиновым лазером, систему генератор — усилитель. Плотность запасенной в верхнем лазерном уровне энергии накачки в 1 Дж/см' дает дифференциальное усиление для слабых сигналов: я = 4,7 см '. Столь высокие усиления слабых сигналов могут стать и недостатком, ибо лазерный усилитель при этом способен легко перейти в нежелательный на данном этапе генераторный режим.
Рд.л р р .р " д ~Ядр)рд Лазеры на ()(г(г Сг: ГСГГ (гадолиний-скандий-галлиееый гранат) Н аряду с итгрий-алюминиевым гранатом (ИАГ) для неодима можно подобрать еше немало других кристаллических матриц. В случае Хб: Сг: Сг)збсзба,О„(ГСГГ = гадоли ний-скандий-галлиевый гранат) широкие полосы поглощения хрома (Сг") в видимой области спектра используются для процесса накачки (см. также рис.
9.2). Собственно процесс накачки протекает в неодиме ()чЫ"). После возбуждения происходит эффективная передача энергии — почти 100 % Сг'" — на верхний лазерный уровень )ч)с)" Это приводит к повышению коэффициента полезного действия на 5 %. Длина волны самой высокой интенсивности составляет у ИАГ-лазеров около 1,06 мкм. Недостатком же является то, что здесь возникают сильные тепловые фокусируюшие эффекты, поскольку теплопроводность и теплоемкость несколько меньше, чем у кристалла ИАГ в то время как прочие свойства вешества практически идентичны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
