Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 37
Текст из файла (страница 37)
785 слз-' 612 спз-' 565 спз-' 14 «Ег 13 12 11 Обозначениеуровня Рне. 9.18а. Схема энергетических уровней лазера на Уб: ИАГ (УЪ": У,А1,0с) б .е х 4 о и к 3 х о 2 х 1 700 800 900 1000 1100 Длина волны, нм 0 200 300 400 500 500 700 800 900 1000 1100 Длина волны,нм;УУ = Вт,гпУУ = мВт, 9.г.л „-ц р .,р„„~д7~) 2.4 1,8 е оп е лю 8л 12 Ф ле; щб 850 900 950 1000 1050 Длина волны ни Рис. 9.185. Спектр поглощения и излучения (эффективное поперечное сечение) УЬ: ИАГ (легирование 15%; 500 К) Лазеры на УЬ: КГВ (калий-гадолиний-еолвфрадд) Для генерации сверхкоротких лазерных импульсов требуются широкополосные оптические переходы.
Это требование выполняется, например, Тгба-лазером, с помощью которого можно генерировать импульсы около 100 фс в случае коммерческих систем. Лазеры на Тз-сапфире накачиваются в зеленой области спектра, для чего служат лазеры Х081 ИАГ с удвоением частоты при 532 нм. В отличие от него, лазер гЬ: ИАГ для накачки имеет интенсивные линии поглощения при 940 и 980 нм. В этом диапазоне предлагаются лазерные диодные системы мощностью в несколько 1О Вт, что значительно упрощает конструкцию лазеров с ультракороткими импульсами. Лазерный кристалл гЬ: КГВ состоит из вольфрамата, где К означает калий, Г— гадолиний, В есть%Ос Такой кристалл показывает особенно сильное поглощение при вводе излучения в аксиальном направлении.
Схемы энергетических уровней и спектры идентичны таковым у лазера г'Ь: ИАГ (рис. 9.18а и б). В коммерческих системах лазерный стержень в обоих аксиальных направлениях может получать накачку по 30 Вт, причем излучение подается по стекловолокнам. Спектр излучения такого лазера составляет от 1020 до 10бО им с максимумом около 1048 нм.
Минимальная длительность импульсов равна 500 фс, то есть больше, чем у Тзба-лазера. Может осуществляться пассивная синхронизация мод (посредством насыщающегося отражателя Брэгга), а частота импульсов составляет — в зависимости от резонансной длины — около 80 МГц. Отдельные импульсы могут усиливаться с частотой 7 кГц посредством регенеративного т'Ь: КГВ-усилителя (тоже с диодной накачкой), причем достигается средняя мощность 4 Вт. 9.6.
Лазеры на центрах окраски Лазеры на центрах окраски с оптической накачкой и широкими полосами излучения имеют много общего с твердотельными лазерами, описанными в п. 9.5. Активная среда образуется центрами окраски в кристаллах шелочных галогенидов, как то: МаС1, КС1, КЬС1 и т.д.. По своей оптической структуре они напоминают лазеры на красителях с непрерывной лазерной накачкой и генерируют перестраиваемое излучение в инфракрасной области спектра от 0,8 до 4 мкм, расширяя при этом непрерывно перестраиваемый диапазон излучения лазеров на красителях от видимой области до инфракрасной области спектра (см, также главу 8).
Схема энергетических уровней Центры окраски, в принципе, представляют собой дефекты в кристаллах. Особенно хорошо они изучены в кристаллах шелочных галогенидов, кристаллах с ионной связью, где дефекты возникают иногда на основе анионных вакансий, то есть в отсутствие отрицательных ионов, например, С! в ХаС1. В такую вакансию может связываться электрон, который в поле окружающих атомов решетки занимает сильно расширенный энергетический уровень. В результате легирования щелочных галогенидов натрием или таллием формируются, например, Г„-центры, описанные в п. 1.5.
Рассмотрим теперь схему энергетических уровней для лазера на центрах окраски на примере указанного Г -центра (рис. 9.19). Такие центры могут принимать нормальную конфигурацию и конфигурацию седловой точки. Оптическая накачка осушествляется от стабильного (з-подобного) основного состояния в расщепленное на две зоны (р-подобное) возбужденное состояние. Широкие полосы поглощения, показанные на рис. 9.20, обеспечивают эффективную накачку. В течение 1 пикосекунды в результате безызлучательной релаксации заселяется верхний лазерный уровень в конфигурации седловой точки. Время жизни на верхнем лазерном уровне составляет от 1О до 200 нс. В результате люминесценции либо лазерного излучения происходит переход в возбужденное основное состояние, у которого менее чем за 1 пикосекунду осуществляется релаксация в стабильное основное состояние.
При этом выполняется важное условие непрерывной генерации лазера: время жизни на верхнем лазерном уровне превышает время жизни на нижнем лазерном уровне. Конструктивное иснолнение Кристаллы для лазеров на центрах окраски должны использоваться и храниться при температуре 77 К= температуре жидкого азота. У многих центров окраски коэффициент полезного действия для люминесценции уменьшается по мере повышения температуры. У других Р-центров (от нем. Гагбхепггцгв) коэффициент полезного действия излучения не зависит от температуры и может достигать 100-процентного уровня.
Тем не менее, даже такие центры окраски подлежат охлаждению, в противном случае, не исключено их просветление. На рис. 9.21 приведены характеристические кривые люминесценции важнейших лазерных веществ. При этом принимались во внимание только устойчивые кристаллы центров окраски со сроком службы более 1 года, Перестройка может осуществляться почти до полуширины кривых люминесценции.
Лазерные линии являются однородно уширенными. б) а) й в Ж Б 600 700 Длина волны (нм) 800 500 Рвс. 9.26. Полосы поглощения центров окраски КС1: Ы и КЬС!: Ы (по данным Кнойбюля и Зигрисга) Рас. адв, Центры ГА с нормальной и возбужденной конфигурацией седловой точки. Схема энергетических ур овней лазера на центрах окраски: (в) = ион щелочи (например, Кч-), (-) = ион галогена (например, С1-), (ч-) = примесный ион (!74 г г г* рд в к х в о о х в и Я д о л х е Х 1,0 1,2 1гя 1,6 1,8 2,0 2,2 2,Л 2,6 2,6 З.О З,2 З,Л З.в Длина волны (мкм) — — м- Рис. 9.21.
Спектр люминесценции лазерных кристаллов на центрах окраски (по данным Кнойбюля и Зигриста) ющий палец ловушки Рис. 9.22. Структура охлаждаемого лазера на центрах окраски (поданным Кнойбюля н Зигрнста) Техническое исполнение лазеров на центрах окраски практически идентично таковому у лазеров на красителях. Лазерный кристалл с числом центров окраски ПрИМЕрНО 101х На СМ' раЗМЕщаЕтСя На ОХЛаждаЮщЕМ ПаЛЬцЕ ЛОВУШКИ, КОтОрЫй другим концом погружен в жидкий азот (рис. 9.22). В целях тепловой изоляции и предотвращения конденсации водяного пара в зоне вокруг кристалла создан вакуум.
Здесь находит применение продольная накачка с помощью непрерывного лазера, лазеров на )х)г): ИАГ или Кг+. Селекция длины волны осуществляется путем вращения призмы в резонаторе. Эти лазеры достигают непрерывной выходной мощности в несколько десятков мВт. Благодаря однородной ширине линии получают, при использовании эталона Фабри — Перо, относительно простой одномодовый режим генерации.
Коммерческие лазеры на центрах окраски функционируют, например, с Ха: КС!, Бй ВЬС! и !х(1: КС!. При этом могут генерироваться длины волн от 1,43 до 1,58 мкм и от 2,2 до 3,3 мкм. Чаще всего они используются в качестве перестраиваемых источников излучения в спектроскопии. Придется, однако, отметить, что, благодаря развитию лазеров на Т!Ба, фостерите и других подобных твердотельных лазеров, не нуждающихся в охлаждении, популярность лазеров на центрах окраски в последние годы несколько уменьшилась.
згл р ззз ф 9.7. Дисковые и волоконные лазеры с диодной накачкой Способы накачки твердотельных лазеров с помощью диодных лазеров позволяют получить компактные источники лазерного излучения, функционирующие с высоким коэффициентом полезного действия и отличным качеством пучка. Далее, поскольку для возбуждения не используются газовые разряды, лазеры с диодной накачкой отличаются высокой стабильностью и долгим сроком службы. Кроме прочего, излучение диодных лазеров хорошо вводится в стекловолокна, и это сочетание предлагает новые возможности создания лазерных систем с весьма привлекательными свойствами. Лазеры с диодной накачкой а) днодныйлазер Оптнкасвязн я мода Рис.
9ЗЗ. Твердотельный лазер с диодной накачкой. (а) При продольной или торцевой накачке излучение вводится из диодного лазера через одно из зеркал резонатора в лазерный стержень. Возбужденный объем синхронизируется относительно объема основной моды (ТВМОО), в результате чего получается пучок хорошего качества. (б) При поперечной или боковой накачке излучение лазерных диодов проникает через поверхности покрытия лазерного стержня Зеркало Выходное с высокой устронстао отРажающей способностью " днодный лазер б) с Вное яство При накачке с применением диодных лазеров излучение лазерного диода или лазерной матрицы с помощью линз вводится в лазерное вещество в продольном либо поперечном направлениях (рис. 9.23).
У лазера с продольной накачкой излучение накачки фокусируется оптической системой, например, на выходной торец стержня из Хс): ИАГ (рис. 9.23а). Типовой диаметр пятна составляет от 50 мкм до нескольких сотен мкм. С этой величиной согласуется диаметр ТЕМ -моды резонатора. Излучение накачки глубоко проникает в лазерный стержень и почти полностью поглощается.
Лазерное зеркало, через которое проходит излучение накачки, обладает высокой отражающей способностью (100-процентное глухое зеркало) для излучения )к)г(: ИАГ (1,06 мкм) и снабжено прозрачными противоотражаюшими слоями для излучения лазерного диода (0,81 мкм). 9. 7. Янсктзньге и нолнктнгньге.газергг с дггоднгзн накачнни 177,) Особзснно благоприятны лля пелен накачки кристаллга на итгрий-вапалатс, легирпвангзгяе неолимом: они отлично погпоягакзг свет накачки. С )чг): ГУГО лос~итаятся гора гло более высокие огпические усиления, чем с к)б: ИА1: 1!еозгиьговые лазеры с лиоднои накачкой могуч функпионировать ггчкже в режимах модуляпии ,тоброгноспг и синхрони ггзггии лгод.
С помогиью лазернык диодов возмоя на накачка не только кристаллов, легггроваггньгь неодимом !рис, 9.2б).!ак. с кристаллами Сг: !лБгА!Ег (!лбАЕ:) можно генерировауь !гс!ресура))васмос даузур!!ре !Ез!у")сццр в п,с 4,' ":...„° „"" 1, ":.,'." ' ";.," у ',,"."„' ~~о~ г зггз р кно ного лазера как связи ркало Рнс. 9дб. У дисковых лазеров кристалл состоит нз тонкой пластинки, смонтированной на теплоотводе. Накачка осуществляется со стороны свободной поверхности Дисковый лазер Дисковый лазер представляет собой цилиндр из материала, пригодного для вывода вынужденного излучения, диаметром около 10 мм и высотой 0,2 мм.
Одна сторона такого цилиндра снабжена смонтированным на теплоотводе зеркалом с высокой отражающей способностью (рис. 9.26). Накачка с помощью диодного лазера осуществляется от свободной стороны. В процессе накачки возникает одномерный перепад температуры в направлении оси лазерного пучка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
