Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Тулий служит для поглощения излучения накачки при 780 нм. В Тт, Но: ИАГ происходит перекрестная релаксация Тт-Тгп (рис. 9.10), вследствие чего заселяется 'Н;уровень. Энергия мигрирует по следующим Тгп-ионам, пока наконец не достигается заселенность верхнего лазерного уровня Но" После этого осуществляется лазерный переход. 95. Пр р рд р (бф лазеры.
При этом, как в случае лазера на красителе, у них создается возможность достижения непрерывной перестройки, Диапазон перестройки может составлять более 30 % центральной длины волны, Возбуждение лампами-вспышками возможно только у некоторых типов лазеров, показанных на рис. 9.11. Большинству лазерных систем нужны для накачки лазеры на )х) с(: ИАГ Кг+ или Аг+, и для легирован и я ионами )х(1, С г и Ч они должны генерировать при низких температурах, например, с жидким азотом (Х,), что ограничивает их применение в коммерческих целях.
Как видно из рис. 9.11, с помощью лазеров указанного типа возможна генерация лазерного излучения в красной и инфракрасной областях спектра. Длина волны, нм 2000 1500 1500 11001000 900 800 700 г- ЕМЕЯДЕС Сг С5ДС Сг;С5СС сг' тдс сгкЪю~ — т Со Ктпгз С'М5ДР Сг.2п1704 ГКМ9Р КМ--2 А,2 тмз УДС М СПСПГЭ 'м9гг Роыепг П 5арыг Сг ЕМ995~06 П' Д1,0, 4 5 б 7 8 9 10 11 12 15 14 15 1б Энергия, 10' см' Рис. 9.11. Длинноволновые области твердотельных лазеров (по данным Кехнера) В качестве примера описанных твердотельных лазеров рассмотрим ниже лазеры на александрите и на сапфире, легированном титаном.
Александритовый лазер хорошо накачивается лампами-вспышками, чем и объясняется его довольно простая конструкция. Кристаллы легированного титаном сапфира возбуждаются в большинстве случаев с помощью других лазеров, преимущественно ионных аргоновых систем, но в последнее время для этой цели все чаще привлекаются лазеры на Хе): ИАГ с удвоенной частотой. Это приводит, конечно, к более сложным исполнениям, но зато дает очень большие диапазоны перестройки.
Лазер на Т15а по этой причине имеет более широкое распространение, чем лазер на александрите. Лазеры на алексанарите Активная среда такого лазера — кристалл александрита — состоит из ВеА1,О„легированного ионами хрома (Сгз') в объеме примерно 0,4 весовых % (5 1О" ионовргсмз). Схема уровней очень похожа на такую схему у рубина (рис.
9.12), причем имеют ~~~~66 Глава 9. Твердалгельныелазеры место одинаковые энергетические состояния иона хрома. Однако взаимодействие с кристаллической решеткой активнее в случае александрита, где, в частности, основное состояние имеет сильное уширение в результате колебаний. Зонами накачки, как и при рубиновом лазере, являются уширенные состояния г Т, и 'Тг В функции перестраиваемого твердотельного лазера используются переходы, представляюшие собой 4-уровневую систему.
Верхний лазерный уровень (т= 260 мкс) о~но~~~~я к зоне "Т„нижний — к зоне о~но~ного сос~оян~я 'Аг Ширина этой полосы определяет диапазон непрерывной перестройки от 0,701 до 0,818 мкм. В силу специфической структуры основного 4А, -состояния излучение лазерного фотона неразрывно связано с излучением фонона. Фононы способствуют термализации основного состояния.
Генерация лазерного излучения может ограничиваться самопоглощением. 20 г ~ Перестранвае~ 2т зона гтг гЯет, 2 гтг з5 гг к 28~ к о. е к — 8г8 нм 5 4А 2 Рубин (сг" в м,о,) Александрит (Сг'в ВеА),0,) Рис. 9.12. Энергетические уровни и переходы лазера на александрите (Сг": ВеА(,0„) и на рубине (Сг": А),0,) (по данным Гэхта) Наряду с перестраиваемой зоной у лазера на александрите может иметь место такой же переход, как и у рубинового лазера. Речь идет о расщеплении 'Е-уровня (2= 1,54 мс) в "Т;состояние.
В этом случае осуществляется передача энергии на верхний лазерный уровень, как у рубинового лазера. Возможность такой комбинации из 3- и 4-уровневых лазеров есть весьма интересная особенность, характерная как для александрита, так и для смарагда (Сг . Ве А1 (БгО ) ). Кристалл александрита может накачиваться лампой-вспышкой или дуговыми лампами непрерывного света.
Принцип действия этого лазера сравним с другими твердотельными исполнениями. Энергия импульсов возрастает с повышением температуры, так что лазерный кристалл обычно генерирует при 100 'С. Этот эффект объясняется тем, что долгоживущий 'Е-уровень служит в качестве накопителя, обеспечивающего тепловое возбуждение расположенной на 800 см' выше 4 Т;зоны.
Перестройка длины волны может осуществляться, как при лазере на красителе, с использованием фильтра Лио, отличающегося простой конструкцией, малыми потерями и высоким порогом прочности. Типовые характеристики, в том числе ширина линии и мощность, приведены в таблице 9.5. твблввв 9.5. Разные режимы генерации лазера на ал ександрите при длине волны 750 нм (по данным Кнойбюля и Зигриста) Лазеры на сапфире с титаном Особенно велик диапазон перестройки у лазеров на Т(Ба, что можно объяснить отсутствием самопоглошения на верхнем лазерном уровне. Схема энергетических уровней представлена на рис. 9.13.
Свободный ион Т!" имеет в самой крайней оболочке один электрон. На основе кубической составляющей кристаллического поля для данной электронной конфигурации формируются состояния 'Е и '7г Треугольная составляющая кристаллического поля и спин-орбитальная связь приводят к дальнейшим расщеплениям, которые, однако, из-за сильных уширений в результате взаимодействия с колебаниями решетки не разрешены. Спектры поглощения и флуоресценции приведены на рис. 9.14.
Длины волн излучения находятся в диапазоне от 670 до 1100 нм и выше — с максимумом около 800 нм. Т1-сапфир обладает широкой полосой поглощения около 500 нм, что позволяет эффективную накачку с кпд до 50 % — например, с аргоновым лазером или лазером на )~Ы: НАГ с удвоенной частотой. Время жизни на верхнем лазерном уровне составляет всего 3 мкс при 20 'С, поэтому накачка с применением лампы-вспышки довольно проблематична. Тем не менее, с помощью специальных ламп, генерирующих короткие возбуждающие вспышки, удается получать средние выходные мощности более 100 Вт с кпд в несколько процентов.
Сапфировые кристаллы, легированные титаном, обладают, как и чистый сапфир, очень хорошей механической устойчивостью и высокой теплопроводностью. При выборе кристаллов необходимо принимать во внимание так называемый «Г18цге о( щепы (РОМ) — показатель качества кристалла, определяемый как частное показателей поглощения при длинах волн 490 нм и 820 нм. Для хорошего кристалла характерен показатель качества РОМ = от 300 до 1000. Лазер на Тысапфире имеет диапазон перестройки больше, чем лазер на красителе (см. также главу 8), и генерирует более высокие выходные мощности, так что в области спектра 800 нм он успешно заменяет ранее используемые здесь лазеры на красителях. Рис. 9.15 демонстрирует конструктивное исполнение коммерческого Т18а-лазера в сравнении с лазером на красителе. Кривые перестройки показаны на рис.
9.16 и 9. 17. (~6В г 9. ги р а) б) Е1гз 2Ед ~ г400 гобоо ° ' По = 490 тм Зс)' 107 см ~ Звсч Фоконы Спин-орбитальное расщепление Кубическое, треугольное кристаллическое поле Рнс. 9.!3. (а) Схема энергетических уровней иона ТгЗ+ в сапфире. Лазерные уровни образуются на основе конфигурации Зб! под действием кристаллического поля, имеющего сильную кубическую и слабую треугольную составляющие, Дальнейшее расщепление происходит а результате спин-орбитальной связи и, наконец, уширение — вследствие ко лебаний кристаллической решетки (фононы). ())о = параметр расщепления кристаллическим полем).
)б) Упрощенная схема энергетических уровней лазера на ТБа Лазеры на УЬ) ИАГ Легированные посредством т'Ь лазеры с диодной накачкой обладают многими достоинствами и несколько отличаются от лазеров, легированных неодимом. Схема энергетических уровней здесь несколько проще, а квантовая эффективность и время жизни на верхнем лазерном уровне — выше. Особо важную роль отводят лазеру на УЬ: ИАГ (рис. 9.18а), у которого полосы поглощения около 940 нм и 968 нм примерно в 5 раз шире линии 808 нм у лазера на Ь)с): ИАГ (рис.
9.18б). Лазер на УЬ: ИАГ может активно накачиваться лазерными диодами 1пОаАз. Полосы поглощения у УЬ: ИАГ интенсивны и относительно широки с максимумом около 1030 нм и 1060 нм. Лазерное излучение может перестраиваться в диапазоне от 1025 до 1053 нм. Схема энергетических уровней лазера на тгЪ: ИАГ (см. рис. 9.18а) демонстрирует основное 'Г„;состояние с четырьмя уровнями, возникшими в результате штарковского расщейления.
Возбужденное 'Р„;состояние имеет три подуровня, каждый из которых состоит из 11 — 23 энергетических состояний. В неселективном резонаторе возбуждается преимущественно линия до 1030 нм. Лазер на УЬ: ИАГ может генерировать излучение в непрерывном и ускоренном импульсном режимах.
9.6. П р р * рд р ~6~9~ 2,5 2.5 г,о 2.0 о.о 500 Длина волны, нм Рис. 9 14. Сапфир в объеме 0! весовых% в И О,: поглощение и излучение параллельно (я) и перпендикулярно (о) с-оси поляризованного сапфиром света (по данным А. Гоффштедта, Институт оптики при Берлинском техническом университете, и фирмы «Злайт ин Телтов», под Берлином) одель899-01 Ком ром ент Модель 899-01 в конфигурации на красителе Рис. 9.15. Конструкция коммерческого лазера на Т)-сапфире, который может быть перестроен для работы по типу лазера на красителе (данные фирмы фирмы «Когерент») 'й о * к1.5 3 о к о 10 л к х 05 о с 400 500 600 700 800 900 1.5 о 1.0 ф .е о о 0,5 5 х о.о ' 1ООО ~~~70 г «.г«д г Оптика для коротковолновой области 0 б00 Рис.
9.15. Кривые перестройки непрерывного 3) 5а-лазера (поданным фирмы «Когерент») 1 УУ 100 лтУУ 1О лт1М Рис. 9.17. Кривые перестройки непрерывного 'Пба-лазера в сравнении с непрерывнымн лазерами на красителях (по данным фирмы «Ко гере нта) Энергия (см«) 10679 слз-' 10624спз ' 10327сгл ' 23 ~Е« 22 2! Возбужден зе)з; гл = нм, сгл = см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
