Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Поэтому энерге ч кие уровни в спектре газов узкие, что позволяет сосредоточить энер- ти- гию излучения газового лазера в нескольких или даже одной од " м ах. ри соответствующем выборе активной среды в газовых лазерах можно осуществить генерацию в любой части спектра — от ультрафиолетовой области ( 0,2 мкм) до далекой инфракрасной (-0,45 мм).
Б ольшим достоинством газовых активных сред является их спо- собность работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме с большим диапазоном мощностей излучения (от 10 мкВт до 100 кВт) и высоким к. п. д. (0,015...25 %). Активной средой в ионном лазере могут быть инертный газ (аргон-П, Ло 0,48 мкм), криптон (Ло 0,56 мкм), неон (Л, 0,23; 0,33 мкм), пары различных химических элементов (кадмия, цинка, йода, Л, 1,01 мкм), а также ионы фосфора (Л, 0,42 мкм), серы (Ло 0,53 Йа б мкм), хлора (Л, 0,7 мкм), брома (Л, 2,8 мкм) и других элементо в. лазе а , иболее распространенными активными средами в молекуляр рах, использующих энергию колебательного и вращательного со- стояния, являются азоти углекислый газ (Л, !0,6 мкм) в смеси с азо- том и гелием. Полупроводниковые активные среды обладают исключительно вы- сокой концентрацией активатора ( 10" см-о), что обусловливает получение генерации непрерывного или импульсного излучения мощ- ностью от 0,5 мВт до 1О Вт с высоким к.
и. д. ( 15...45 %) в очень ма- лых объемах активного вещества. Другими достоинствами пол п о никовых упровод- тока инже активных сред являются прямое превращение электричес о ка инжекции в лазерное излучение и простота внутрирезонаторной модуляции. Недостаток полупроводниковых сред — большая расхо- димость излучения (5...30'). .
' В настоящее время разработано значительное количество полупроводниковых лазерных материалов: ХпО (Л, = 0,38 мкм); С68 (Ло = = 0,5 мкм); С68е(Л, = 0,58 мкм); 1пЯЬ (Ло = 3,1 мкм); РЬЯ (Л, = = 4,27 мкм) и т. д. Однако наиболее распространенными и выпускаемыми промыш |шленностью полупроводниковыми материалами являются арсенид галлия ОаАз и гетероструктура Соа„А!~ „Аз (, 0,8...0,94 мкм). Электронно-дырочная проводимость полупроводника обусловлена небольшим количеством свободных носителей заряда, которые, перемещаясь под воздействием накачки, возбуждают поток фотонов в р,— л переходе — активной области толщиной 1 мкм.
Из великого множества активных сред мы рассмотрели лишь те,, которые составляют активный элемент излучателей промышленных лазеров. 4.1. Кристалл рубина — активная среда лазера Р б — драгоценный материал, в чистом виде редко встречающийся у ин— в прир роде. Это диамагнитный кристалл окиси алюминия А1,0, (- Сг'+. К ивное рунд) р Сг'+.
К д) с парамагнитпыми примесными ионами хрома Сг'+. Как акт вещество синтетический рубин розового цвета с содержнием хр ома около , . о 0,05 мас. % применяется в квантовых приборах с 1958 г., когда А. М. Прохоров исследовал электронный парамагнитный рез онанс ионов г в кр С '+ в кристаллах, заимствованных в часовой промышленности. п инимает В исимости от концентрации хрома кристалл а-корунда прин различные цвета: 0,5 % Сг — окраска яркокрасная, более 8 о о~ цвет кристалла зеленый. Ионы Сто+ изоморфно замещают в кристаллической решетке а-корунда ионы алюминия А!ой, каждый из которых находится в окружении шести ионов кислорода Оо —, образующих правильный ок др — таэ ( . 4.2, ).
Ионный радиус А1о+ составляет 0,51 10 ' мкм, он меньше ионного радиуса Сто+ (0,63 . 10 — ' мкм) и поэтому ион Сг ока о+ зывается несколько смещенным от центра октаэдра вдоль тригональной оси кристалла. Искажение симметрии кристалла приводит к внутренним напряжениям ням и дефектам структуры кристалла. Показатель преломления р бина для поляризованного обыкновенного луча составляет Разность показателей преломления для обыкновенного и необыкру ин новенного лучей равна 0,008, теплоемкость кристалла 753,6Дж/(кг ° К), Оо дотла доло о О,Н7 Ю ооооо о" Рис.
4.2. Строение ячейки кристалла рубина (а) и линни люминесценции рубина П, о гоо (о) пря т ЗЗО К (кривая 1) н Т 77 К (кривоя 2) тз Еен Ж4 4 Жэ а сз Рис. 4.3. Схема энергетических уровней и вероятностей переходов длн ионов Схз+ в рубине при температуре Т = 4,2 К (а) и расчетная схема энергетических уровней активного вещества трехуровневого лазера (б) теплопроводность 45 Вт/(м К) (при 30 'С).
Учитывая высокие оптические, механические и квантовые свойства, рубин занимает особое место среди активных веществ лазерной техники. Если применить волновые функции, описывающие состояние иона с одинаковым значением суммарного орбитального момента, но различными проекциями егона кристаллографическую ось г', то при некоторых операциях симметрии волновые функции имеют дву- или трехкратное орбитальное вырождение.
Диаграмма уровней энергии (20, 24! ионов Сгз+ в рубине состоит из двух наборов уровней (рис. 4.3, а). первый слева характерен для состояния иона Сг'+ со спином Я = '/„ нижний уровень набора 'А, — основное состояние Сг'+ — имеет два подуровня с расстоянием между ними 0,38 см — '. Два верхних уровня представляют собой уровни резонансного поглощения. Они состоят из шести дублетов и вследствие неоднородности поля сильно размыты, Второй набор уровней справа соответствует состояниям ионов Сг'4- со спином Я = '/,. Уровень 'Š— метастабильный, дважды вырожденный, расщеплен на два подуровня с промежутком 29 см — ', уровни А являются орбитальными синглетами.
Уровни 'Е и 'Р, соответственно дважды и трижды вырождены. Положение уровней 'Р,, 'Е слабо зависит от неоднородностей кристалла„и они почти не имеют уширения. В результате спин-орбитального взаимодействия ионов Сгзч с полем кристалла электронные состояния, соответствующие энергетическим уровням кристалла, оказываются смешанными состояниями (см.
п. 2.5). Это приводит к тому, что излучательные переходы с уровней 'Ры "Ра на 'Р, и 'Е запрещены правилами отбора для спина. Однако между этими уровнями осуществляются интенсивные безызлучательные переходы Юза - (2...5) 10' с — ' с огромным выделением тепла. При возбуждении оптической накачкой в полосах 'Р„'Р, изменение населенностей уровней связано со спонтанными переходами на нижние уровни, индуцироваиным поглощением и излучением и безызлуча- 74 ными переходами. Возбужденные квантовые частицы (ионы хрома) тельными с осно новного уровня 'А переходят на резонансно.поглощ щ ур в мало. ни „в.
ремя 'Р 'Р. В жизни частиц в возбужденном состоянии м н вной Уровни 'Р„Р", вследствие спонтанного перехода частиц на осно хода с Вероятностью Е = (2...5) 10' с — ' на метастабильное состояние 'Е быстро обедняются. Так как вероятность спонтанного перехода с овня'Е мала (А„З !0а с — '), тона уровнях Е и 2А возможнообрауровня мала зование инверсии населенности частиц.
При дости т женин по оговогозна. р чения инверсии Ь/Ч = 0,5/1/е происходит спонтанное и вынужденное (индуцированное) излучение. Е ерсия населенностей не достигает порогового значения, ели инве„ ия то наолюдается толь ько спонтанное излучение в виде люминесце ц рубина на одной из двух узких линий /7, (Х, = 0,6943 мкм) либо Ев (Хв = 0,6929 мкм) с уровней 2А и Е соответственно (рис.
4.2, б). Кваньффе вность в Я-линиях составляет -0,52. Практически рубиновййлазер излучает на Я,-линии, так как вероятност р ь пе ехода в ней выше и проще достижимы пороговые условия. Как видно, не с К, в е энергетические состояния участвуют в процессе генерации вынужденного излучения. Поэтому с некоторой д бно этапы поглощения и возбуждения, создания инверсии и излучения представить в виде трехуровневой модели (рис, ) с соответствующими квантовыми переходами и населенностями. Однако при этом не у м не читывается наличие в рубине дуплетных состояний и второстепенных уровней, уширение уровней, так как принято д, = В Е обычно включают зеленую ('Р,) и синюю ('Р,) полосы уровень ь в возб жпоглощения оптического спектра, играющие основную роль у " Е и 2А.
Эти уровни характеризуются большой скоросдении уровней и и. Основное сотью релаксации колебаний кристаллической решетки. с о Е п и температуре Т = 300 К можно рассматривать как один стояние х при темп — бина с массовой коне вень с вырождением а, = 4.
В кристалле рубина л пе ат е Т = 300 К вецен ентрацией хрома, равной 0,05 А, при тем р ур роятность безызлучательного перехода составляет около 2 . !О' с †', емя жизни квантовых частиц в метастабильном состоянии — приблизительно 3 !О-э с. Если проводить накачку световым потоком, параллельным оси г рубина, то показатель поглощения для генерации оставтяет 0,4 ем †', а поперечное сечение поглощения равно 2,5 10 †'е см'.
Обычно при практических расчетах рубинового л ра применяется приближенная трехуровневая модель состояний — рабо ема энергетических уровней рубина Е„ Е„ Е,с обозначениями вероятностей Аам Аи, Язв, Жзв = В,вр„ и — †„р„ населенностей й(м й/„ й/а каждого из уровней (см. рис. 4.3, б). 4.3.Методы инверсии населенностей активных лазерных сред Физический процесс перевода активных центров на возбужденныв ау овни под воздействием света, тока, тепла, химических реакций, ядернйх процессов и т. д. называется накачкой. В результате 76 Иннцначор ааомныа процесс Молекулярный процеСс Фотон Поглощение ее калучение лт+ А та А* Ионизация ем рекомбииация 11т+ А ~ А*+ е Столкновения 1-го рода: воабужденис с+А юАа+е ионизация с+А та А++ 2е тройственная рекомбинации е+ А+ +  — А -4- В Рассеяние, столкновения 2-го рода: А+ В" аа Аа+ В А*+ В-ьА -1-(В ~)а+ е А*+ В-ы А -1- (Вч)а Рамаиовское рассеяние лт+ АВ аа АВ* Фотодиссоциация йм+ АВ ю А*+ В йе+ АВ ю А++ В е+ АВ ю АВ*+ е Диссоциация — иониаация е+АВааА++В +е е + АВ жа А .~- В + е е + А++ В аа А + В Электрон 77 Таблица 4.1.
Процессы воабуждеиии инверсии населенностей, протекающие в гааораарядиых лазерах Прплечцкце. Уеаоаныа обоапачення; А, В чаетацм е нормальном постоянны Аа — час тнца а воабужаенном соатояннн; А+ — положнаельно ааряженныа нон: А — о ааряженжая нон; ач — фотонч е — ялектренч А — молекула. действия накачки образуется инверсия населенностей на метастабильном уровне и лазерное вещество, поглощая энергию накачки, становится активной средой. В условиях термодинамического равновесия населенности энергетических уровней распределяются в соответствии с законом Больцмана (см. п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
