Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Коммерческие стеклянные лазеры обладают частотой следования импульсов, которая обычно составляет менее 1 Гц. В качестве примера коммерческой установки приводятся технические характеристики лазера со стеклянным стержнем длиной 15 см и диаметром 1,2 см. Оптический резонатор образуется двумя зеркалами с расстоянием между ними 70 см (длина резонатора). В качестве выходного зеркала используется плоское зеркало с отражением порядка 45 %. Другое зеркало с высоким коэффициентом отражения имеет радиус кривизны почти 10 м. Достигаемая мощность пороговой накачки с применением спиральной лампы-вспышки составляет ! кДж. При энергии накачки 5 кДж генерируется около 70 Дж лазерной энергии.
Расходимость пучка не превышает при этом 0,01 рад. ткдкяок 9.4. СРавнительнаЯ хаРактеРистика лазеРных веществ: РУбина, алюмоитгриевого граната, легированного неодимом, и стекла с неодимом (по данным Кехнера) Св": А! О !Чд: ИАГ Стекло о неодимом 694,3 2,86 1,763 или 1,755 и др. 2 5 10-ва 3 000 1,6 10" 0,05 11 42 5,8 84 1О'в 2,3 0,087 1 064,! 1,86 1,82 (нм) (10 "Дж) Длина волны Энергия фотона Показатель преломления 1 062,3 1,86 1,51 1,55 5 10'а 240 1 4 !Ова 0,75 6,5 14 8 1,! !О" 2,0 10' 4,73 (см') (мкс) (смо) (весовых %) (см ') (Вт ' К') (1О' К) (см') (Д с .э) (см') 10-ва 300 2,8 1О" 3,1 300 1,2 7 11 33 1О" 6,0 10' 0,16 Вынужденное излучение Спонтанное время жизни Легирование Легирование Ширина линии флуоресценции Теплопроводность (300 К) Коэффициент расширения Инверсия прил=О,О! см' Энергия при Х = 0,0! см ' Усиление (8) на 1 Джоуль Сравнительная характеристика лазерных веществ В таблице 9.4 приведены важнейшие физические параметры для рубина, иттрийалюминиевого граната, легированного неодимом (Хд: ИАГ), и стекла с неодимом.
Для непрерывного режима работы годится только кристалл )х(д; ИАГ. В рубине и стекле с неодимом сохраняется больше энергии, что приводит к интенсивным импульсам. Значительная ширина линий стекла с неодимом дает при синхронизации ~~~2 Г 9.7р1 р мод особенно короткие импульсы — менее 1 пс, в то время как с лазерами на )х)д: ИАГ достигается всего около 10 пс. 9.4.
Эрбиевые и гольмиевые лазеры В порядке эксперимента определялась генерация лазерных импульсов на более 100 линиях ионов Ег и Но в разных кристаллах и стеклах. Лазеры на эрбии с длинами волн около 1,5 мкм и 3 мкм и лазеры на гольмии с длиной волны примерно 2 мкм производятся исключительно для коммерческих целей. Лазеры на эрбии см 25000 и мм з5„е 0,12 мс 2ОООО Я„„5 мс ,1 мс 1„, 1,2мс(108мс) 15ООО 1,м, 5,3 мс (2,5 мс) 5000 о мл Рие. 9.9.
Энергетические уровни, переходы накачки и лазерные переходы от Ег" в УАЕО, ИАГ, ИСГГ или ИЛФ. Данные длительности флуоресценции относятся к УАЕО/ИАГ (по Кехнеру). Длины волн в (2,7 — 2,9) мкм-диапвзоне составляют: УА(О -г 2,73 мкм, ИАà — + 2,94 мкм, ИСГà — 1 2,70 мкм, 2,79 мкм С точки зрения коэффициента полезного действия и выходной мощности, лазер на эрбии, мягко говоря, не обнаруживает выдающихся показателей.
Тем не менее, он находит свое применение уже в силу того, что предлагает длины волн 2,7 — 2,9 мкм и 1,54 мкм. У кристаллического Ег-лазера за основу берется обычно ИАГ (итгрий-алюминиевый гранат), УА10,, ИСГГ(итгрий-скандий-галлиевый гранат) или УЫЕ„(ИЛФ = итгрийлитий-фторид). Легирование здесь везде относительно сильное. У кристаллов Ег; ИАГ до 50 % атомов итгрия замещается эрбием. Схемы энергетических уровней ионов Ег" в этих случаях похожи, причем имеют место сдвиги линий (рис. 9.9). Особое значение приобретают длины волн (а = 10' см'), что позволяет успешное применение таких лазеров в медицине — в частности, для отслоения тканей и т.п. Ег-лазер с длиной волны 3 мкм (фактически этот параметр составляет от 2,7 до 2,9 мкм) накачивается, как и другие твердотельные лазеры, с помощью ламп-вспышек или лазерных диодов.
Поглошающие уровни ('1, и выше) постоянно расшеплены, так что диапазоны длин волн шириной около 5 нм способствуют возбуждению. Из схемы энергетических уровней на рис. 9.9 видно, что нижний лазерный уровень обеспечивает более долгое время жизни (5 мс), чем верхний. Поэтому импульсы накачки должны показывать и более стремительное нарастание. Перед следующим импульсом приходится дожидаться опустошения нижнего лазерного уровня. Передача энергии накачки на разные уровни эрбия представляет собой весьма сложный процесс. Наряду с простым спонтанным распадом верхних состояний, происходят также процессы обмена энергией между соседними ионами Ег. Например, нижний лазерный 2,9 мкм-уровень опустошается, в то время как освободившаяся энергия используется для 'Год -~ '7, возбуждения другого иона (преобразование с повышением частоты, англ.
ир-снопгегз)оп). В процессе, обеспечивающем населенность верхнего лазерного уровня ('7,д -+ '7 „,), участвуют многочисленные фононы. Модуляция добротности возможна при 3 мкм. Наряду с электрооптическими затворами находят применение и пьезоэлектрические конструкционные элементы, основанные на принципе нарушенного полного внутреннего отражения. Их называют также РТ1К-модуляторами (от англ.
Ггцзггагед гога! шгегпа! гейесг!оп). Рис. 9.9 показывает, что могут быть генерированы и другие лазерные линии. Линия самой высокой интенсивности около 0,85 мкм особого значения не имеет, поскольку относится к области лазера на александрите. Эрбий можно также встраивать в стекло, позволяющее затем генерацию лазерного излучения с длиной волны примерно 1,54 мкм. Переход осуществляется между самым нижним уровнем '/„„и основным состоянием Ч „,.
Таким образом, речь идет о трехуровневом лазере. Здесь находят применение силикатные и фосфатные стекла, сенсибилизируемые иттербием ( гЪ"). Последний имеет полосы сильного поглошения для света накачки около 1 мкм и активно передает энергию ионам Ег. Основной областью применения лазера с длиной волны 1,54 мкм являются безопасные для зрения дальномеры. При этом излучение поглошается на поверхности глаза, что не так вредно для зрения, как излучение, фокусируемое хрусталиком глаза на его сетчатку. Легированные эрбием стекловолокна используются в качестве лазерных усилителей для длины волны 1,55 мкм в области дальней связи. Лазеры на гольдами Но-лазеры относятся к важным источникам излучения в так называемой безопасной для зрения зоне около 2 мкм. Их излучение пронизывает атмосферу, но не фокусируется глазом на сетчатку, а поглощается в его роговой оболочке с глубиной проникновения примерно 0,1 мм.
Итак, основные области применения лазеров этого типа: измерение дальности и медицина, а именно область хирургии роговицы глаза и суставов. Гольмий может встраиваться в те же рабочие кристаллы, что и эрбий. Самая важная линия находится на уровне 2,! мкм; речь идет о Ч, -э ' 1;переходе, причем генерация лазерного излучения заканчивается в основном состоянии (рис. 9.11).
Поэтому такое устройство, как и рубиновый лазер, функционирует при комнатной температуре только в импульсном режиме. Могут быть генерированы импульсы ~~~64 г * 9.г рд ., р, зр 4 з~ з зо ооо 6 зн з и Я 5ГУ ОО сь Ф х ог зн 4 1т 7ВО КМ о 'н, 6~ е Нов+ Тпзз" Тпзз" '1 пуз+ Перекрестная релаксация Рнс. 9ДО. Схема энергетических уровней Но" и лазера на Тпз, Но: НАГ с диодной накачкой.
Тгпн возбуждается излучением с длиной волны 780 нм, после чего происходит перекрестная релаксация Тпь Энергия передается через ионы Тго на верхний лазерный уровень Но" 9.5. Перестраиваемые твердотельные лазеры Широкополосная перестраиваемость достигается посредством лазерных переходов ионов Тг, Ч, Сг, Со, Х1 и Тгп в различных рабочих кристаллах. При введении этих ионов в твердые тела действие кристаллического поля будет сильнее, чем, например, у лазера на стекле с неодимом.
Поэтому, как и в случае красителей, электронные переходы могут расщепляться на разные, плотно прилегающие друг к другу колебательные состояния. Оптические спектры демонстрируют в связи с этим сильно уширенные переходы, на которых основаны некоторые специальные твердотельные до 500 мДж, в том числе в режиме с модуляцией добротности. При температурах жидкого азота возможна и непрерывная генерация.
Очень популярны лазеры на Но: ИАГ с накачкой от лампы-вспышки. При этом возбуждаются более высокие з7-уровни, передающие свою энергию на верхний з1,-лазерный уровень (рис. 9.10). Время жизни здесь составляет 8,5 мс. В качестве одной из последних разработок можно назвать Тт, Но: ИАГ-лазер с диодной накачкой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
