Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 32
Текст из файла (страница 32)
— и фторидные кристаллы: Саг„Вагм КЕпгз и др. В качестве активаторов используются главным образом ионы группы железа (Огз', Ч'+, 1ч)з', Со"' и др.), а также ионы редкоземельных элементов 1Ибз+, Ргэ+, Вп'+ и др.), 144 | ! В кристаллах с разупорядоченной структурой типа Сарз— ВгГ„ВаРз — Уг„1.!Сд(МоО,)„(Иб, Вс)Р,Ом примесные ионы, в основном неадима, входят в состав многих отличающихся по структуре активных центров, в результате чего спектры поглощения этих веществ состоят из широких полос, что позволяет увеличить эффективность накачки.
В качестве аморфных диэлектриков применяются стекла различных составов. В качестве активаторов в стеклянных матридах обычно используются двух- и трехзарядные ионы редкоземельных элементов — неодима, итгербия, гадолия и др. В отличие от кристаллов ионы активатора входят в стекло как компонекты стекла. При производстве лазерных стекол к ним предъявляются повышенные требования к чистоте исходных материалов, однородности и спектральным свойствам. Основными достоинствами стеклянных активных сред является простота изготовления активных элементов любой формы и размеров.
высокая оптическая однородность, изотропность свойств, возможность введения активатора в необходимых концентрациях с равномерным распределением его по активному элементу. Но по ряду параметров стекло уступает кристаллам. Спектральные линии излучения в стекле расширены, что является следствием отсутствия определенной кристаллической структуры; стекла имеют более низкий квантовый выход излучения, худшие теплофизические свойства (малую теплопроводность и высокий коэффициент термического расширения); ограниченную область прозрачности, 5.3.
ТРЕХУРОВНЕВЫЕ ЛАЗЕРЫ Первым твердотельным лазером был лазер, в котором в качестве матрицы активного элемента использовался искусственный кристалл лейкосапфира. Лейкосапфир — кристаллический минерал, при добавлении ионов хрома принимающий окраску от бледно-розового до ярко-красного. Он называется рубином. Структура рубина — кристаллическая решетка А1,0, с внедренными в нее трехзарядиыми ионами хрома Ог,', Содержание хрома з руби~с обычно колеблется в пределах от 0,05 до 0,5%. В кристалле часть атомов алюминия изоморфно замещена ионами хрома, что и вызывает окраску кристалла. Показатель преломления рубина л — 1.76. В лазерах обычно используется бледно-розовый рубин с содержанием хрома около 0,Обоим, что соответствует примерно 1,6 х К 10м ионов хрома Огз' в ! см'.
Поскольку число ионов А1" составляет 4,7.!0" см ', то в среднем каждый ион хрома замещает ' один из нескальких тысяч ионов алюминия. Кристалл рубина имеет ромбоэдрическую решетку. В решетке А1,0, при замене ионов возникают напряжения, так как радиус иона хрома (0,065 нм) несколько больше радиуса иона алюминия (0,057 нм).
Следует отметить высокую механическую прочяость и тепло- !45 б 10л,сн г йэ йэ 05 йд Л,лги Рис. б.б. диаграмма енергеткческнл уроене» конон крона е рубине Рис. б.б. Спектр поглощении рубина длк излучении, подающего: ~~ — параллельно опткческой оси кристалла; ~ — перпендикулнрно оптическо» осн кристалла проводность рубина, которые в значительной мере способствовали широкому распространению его в лазерной технике.
Его твердость по 54оосу — 9, что уступает только алмазу, а теплапроводность при комнатной температуре только иа порядок меньше, чем у металлов. К числу достоинств кристалла рубина относится также возможность выращивания больших образцов высокого оптического качества. Диаграмма энергетических уровней ионов хрома в решетке представлена иа рис. 5.5.
Эти уровни существенно отличаются от уровней энергии в свободных ионах гдг". Происхождение их определяется сильным взаимодействием электронной оболочки Зд группы железа с кристаллическим полем решетки, под воздействием которого происходит расщепление и расширение дискретных уровней лтг" и превращение их в энергетические полосы. При этом наибольшее уширеиие испытывают, уровни "Р, и 'Р,, Глубоко расположенные электроны экранируются внешними электронными оболочками, поэтому воздействие на них кристалличе. ского поля проявляется значительно слабее, и связанные с ними уровни практически не претерпевают ушнрения, как, например.
уровень 'Е, состоящий из двух близких подуровней Е и 2А. Создание ииверсиои населенности в рубине происходит по трехуровневой схеме с использованием метода оптической накачки. Энергия оптической накачки поглощается за счет переходов 1 — 3, Спектр поглощения рубина соответствует двум широким линиям поглощения, центральные длины волн которых равны 0,41 и 0,56 мкм соотнетственно, а ширина каждой из них составляет около 0,1 мкм. Расстояние между уровнями 1 и 3 много больше лТ, и следовательно, вероятность Р„= Викка Коэффициент поглощения зависит от направления распространения света по отношению к оптической осн кристалла (рис.
5.5). За счет спонтанного безызлучательиого распада верхних энерге- 146 'лнческих уровней ионы оказываются в метастабильных состояниях, соответствующих второму уровню. Разница энергий Ез — Е„ передается кристаллической решетке и приводит к разогреву 'всей активной среды. Вероятность этих переходов (2 — 6) 1О' с '. Уровень 2 рубина является метастабильным и при комнатной температуре имеет время жизни т = 3,4 10 ~ с. Кроме того, для энергетической диаграммы рубинового лазера выполняются следУющие Условна: Ьтм )) ЯТ; йтзз )) АТ; следовательно, Р„= =Ры=О и и=О.
Таким образом, для населенностей уровней в трехуровневой схеме получим (см. гл. 3): У4 = У Ры Р„+ ЧВ „.„(1 + Р„1Р„) Л', = )т' ЧВ~нав Ры + Чниц~ц (1 + Р~,~Р,Д А1 у Вчвак Р, Рм+ Чникаи 0 +Рм!Рм) Рм где Ч = Р,3(Рм + Р„). Величина 4)Ви„,„называется скоростью накачки и определяется вероятностью двухактового процесса 1-~ 3- 2. Переход 1 — ~ 3 происходит под действием излучения накачки, переход 3-э- 2 — неоптический.
Из предыдущих выражений получим: М, низ~„ЧВиз~„ ,У, = Р„+Р„= Л!~ Ри ' Л~, Рз, ' Таким образом, населенность третьего уровня всегда значительно меньше населенности первого уровня. Практически все частицы распределены по уровням 1 и 2, т. е. У~ + Жз = Д1- При малых 1)Ви„,„населенность второго уровня зависит от плотности излучения накачки линейно. При ЧВи„,„ж Р„ роявляется тенденция к насьпцению, а при 41Ви,„» Р„подавляющее число частиц переходит иа уровень 2. Таким образом, основное условие накопления большинства частиц на уровне 2 можно сформулировать в виде соотношения (5.1) Рм+ 3$ Оно выполняется, если одновременно имеют место неравенства: Ви„,,„) Рм,' Ви„,„)) — „" Рм. (5.2) Так как при реальных накачках Рм Ъ Вми„„„ то из (б 3) след ует: Р„» Р„; Рм )) Рао 147 г=7гх,~, урм Из (5.1) — (5.3) вытекает, что для накопления частиц на уровне 2 и рв ~! создания значительной инверсии населенности наиболее выгодны 2 системы с малым значением Р„ и большими значениями Рвв/Рм й ажлр йлахт брава л, н коэффициента Эйнштейна В„.
Два последних условия несколько пронвииин рубина й и Л тиворечивы так как при больших коэффициентах Вм велико значение Р„. С учетом (5.3) выражения для населенностей принимают вид: м — и т Ля '-т1лннан ~ н +и анан Лтв = Лтв~ м/Рвв. При и„„„= О /в', = М, 1/в = О. Затем по мере роста и„,„идет возрастание Лтв н уменьшение Лтв.
В точке т)Вд „= Рм населенности уровней 1 и 2 выравниваются, Когда Лв/йв достйгает зна чения Лт,/д, и начинает выполняться неравенство Лт /гв > Л в/К то возникает инверсная населенность уровней 2 и 1. В рубиновом лазере генерация может осуществляться на двух линиях )х', и й (в соответствии с расщеплением состояния вЕ), с длиной волнй 0,6943 н 0,6999 мкм при температуре 300 К. Однако практически зсе лазеры работают на линии )гм поскольку для нее проще реалнзукпся пороговые условия, Это связано с тем, что вероятность перехода для линии А', больше, чем для линии /св. Генерация на линии /тв в рубине может быть получена в том случае, когда добротность резаяатора будет для иее значительно больше, чем для линии )т,.
При уменьшении температуры кристалла линии Р, и Яв сужаются и перемещаются в более коротковолновую область спектра (рис. 5.7). Линия )т довольно точно описывается лоренцовой формой, а ее ширина на уровне 0,5 равна Ьт ж 330 ГГц (Т = 300 К). Уширеиие липин и безызлучательная релаксация обусловлены взаимодействием ионов Ог'" с фононами решетки.
Характер поляризации излучения лазера зависит от направле. ния оптической оси. В кристаллах рубина с ориентацией оси 60 нли 90' излучение имеет линейную поляризацию с электрическим вектором, перпендикуляркым к плоскости, в которой лежит оптическая ось и ось кристаллического стержня. В кристалле с нулевой ориентацией излучение должно быль неполяризованным. Обычно в лазерах используют кристаллы рубина, изготовлен- ные в ниде стержней длиной 250 — 360 мм и диаметром 12 — 25 мм, ось которых ориентирована по отношению к оптической оси под углом 60 или 90'.
Для нахождения энергетических характеристик лазера во многих случаях можно отказаться от решения волновых уравне- ний и ограничиться рассмотрением более простых уравнений переноса, Так, мощность, выделяемую внутри рабочего тела за одну секунду, можно описать следующим образом: Р,. = — ! и„(я) — ' и~~~ — х! 1п(р1рз) ) ~~ а„(т! 1 где изп (т) — начальный коэффициент усиления; а „(т) — пара- метр нелинейности; 1 — длина активного элемента; з — площадь сечения элемента; х„, — — коэффициент вредных потерь; о = с/и; 'р, н р, — коэффициенты отражения зеркал резонатора.
Раскрывая в этом выражении ип (т) и из1 (т) и вводя коэффи- 0 циент, равный отношению коэффициента потерь к предельному коэффициенту усиления, — (ад<' Р~~, ~ ° М~.— получим следующее выражение: Значение Р характеризует мощность генерации, проинтег- рированную по контуру генерируемой линии. Пороговое условие скорости накачки можно получить нз условия Р „= 0: я1%1 + х 4)опнак =- Рм !— Очевидно, это такое число переходов ! - 3- 2 за! с, которое обеспечивает преодоление потерь на люмннесценцию в канале 2 — ~. !. Подставляя его в выражение для Р „, получим Р.ж = ! (1 — 5) (т!Вл~.~ — гФпнак1 ! +Ых| Отсюда следует, что мощность генерации линейно зависит от плотности излучения накачки.
Однако это справедливо только для случая однородного стержня. На практике активный элемент обычно имеет значительную неоднородность, что приводит к возникновению генерации не сразу по всему объему стержня, а только в той части, которая характеризуется наименьшими потерями (рис. 5.8). Рубиновый лазер может работать как в импульсном режиме, так и в непрерывном, но наиболее предпочтительным является 149 и~в„ импульсный режим. В режиме свободной генерации энергия импульсов излучения достигает сотен джоулей прн КПД до 1%. .Ъ"мраиенч Кроме рубинового лазера, имеющего наибольшее применение, генерация по трехуровневой схеме осуществляется еще 4 з ряде кристаллических элементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
