Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Так, а о ределен ых условиях генерация по хая ри иаа тРехУРовневой Схеме наблюДаетсЯ в кРнсталлах флюорнта кальция с примесью ионов урана (Сар,:1Р"). Длина волны излучения 2,24 мкм. Имеется она в кристаллах флюорнта кальция с примесью тулня (Сар,: Та"). Длина волны излучения 1,116 мкм. Работа лазера в определенных условиях по трехуровневой схеме может наблюдаться и в других материалах, но, как правило, в большинстве случаев лазеры работают по четырехуровневой схеме. 5.4. ЧЕТЫРЕХУРОВНЕВЫЕ ЛАЗЕРЫ Наибольшее распространение среди твердотельных лазеров, работающих по четырехуровневой схеме, получили лазеры, у которых в качестве матрицы используются с~екло и кристалл алюмоиттрневого граната 1Ъ,А!,О„) с добавками трехвалеитного нона иеоднма Ибэ'.
Этот ион является самым распространенным активатором лазерных кристаллов и стекол, В последнее время в промышленности стали использоваться и другие типы кристаллов. Зто прежде всего злюминат иттрия, калий гадолиниевый, вольфрамат и т. д.
Спектр атомов редкоземельных элементов, включенных в моиокристалл, очень близок к спектру изолированных атомов. Зто объясняется тем, что незаполненная оболочка 41 у редкоземельных элементов расположена значительно ближе к ядру, чем оболочка 3~1 у элементов, входящих з группу железа, а также оболочка 51 у элементов актинидного ряда, н в значительной степени экраннруется от электрического поля решетки, Поэтому положение энергетических уровней редкоземельных ионов слабо зависит от типа кристалла, и для всех ннх является характерным наличие узких линий флюореспенции, соответствующих переходам из одного состояии» оболочки 41 в другое состояние той же оболочки.
Рассмотрим в качестве примера упрощенную схему энергетических уровней иона иеодима в крис~алле граната (рис. 5.9). Спектр поглощения иона неодима состоит из большого числа сравнительно узких полос, яо основной энергетический вклад в поглощение света накачки дают пять полос, расположенных в области 5Ю, 580, 740, 800 и 900 нм. Наиболее интенсивная люмннесценция соответствует длине волны 1,06 мкм. Время перехода нона из состояний, соответствующих уровням накачки, на мета- шо , стабильный уровень существенно меньше, чем время жизни метастабильного уровня, уе поэтому можно считать, что существует не множество уровней накачки, а лишь одни условный уровень. Время жизни на уровне накачки менее 10 е с.
Метастабильный уровень также состоит из большого числа подуровней, но, поскольку время теплового равновесия между ними значительно меньше времени основного перехода, его также можно считать одиночным. Время жизни метастабильного уровня лежит в пределах 10 ' — 10 ' с.
' Энергетических уровней, условно соответ- е ствующнх второму по схеме четырехуровневого лазера, также несколько, но каждый из иих можно считать единственным, полагая, что его населенность задается по знаку Больцмана. Нижний лазерный уровень 411пе достаточно дале- рне, з,з. днаера а е рко Отстоит От Основиого сОстояния 4(ега и еетннеених уровней г — е вследствие быстрой безызлучательной нонна неелова а ароееаарелаксации имеет малое время жизни, "е Тра" та порядка 6 10 ' с. Поэтому он практически ие заселен при комнатной температуре, и это состояние сохраняется даже при очень больших уровнях накачки. Четырехуровневая схема возбуждения в сочетании с высоким коэффициентом усиления обеспечивает низкий порог генерации лазерных сред, активированных неодимом.
С учетом такого приближенна и можно использовать четыре уровня для описания кинетики населенностей этих эффективных лазерных уровней. Основными упрощающими приближениями, вытекающими из соотношения вероятностей излучательных переходов между уровнями, являются следующие. 1. Все ионы, возбуждаемые под действием излучения накачки, быстро переходят безызлучательным образом на метастабильный уровень 3. 2.
Вероятность безызлучательных переходов с метастабильного уровня вниз пренебрежимо мала по сравнению с излучательными. 3. Время безызлучательяых переходов ионов между уровнями 4- 3 и 2- 7 пренебрежимо мало по сравнению с временем излучательного перехода между уровнями 3 — 2. Мощность генерации для лазеров, работающих по четырех. уровневой, схеме можно представить следующим образом: Ркан = (зФ)ееовв 1'ЧВпнав(1 — б) — (~ е4+ Рае) 31.
15! Если выполняются условия Р„»,~ Р; Я» е м 'ц»г1 ! то практически все частицы сосредоточиваются иа уровнях 1 и д Пороговую скорость накачки находят из формулы пор е »(Вннак (Ры + Р»») ~1 прн выполнении условия е -»" п»г1 ~ 6. При йт»» )) я1', небольших 6 и прочих равных условиях лороговая скорость накачки четырехуровневого генератора значительно ниже, чем в трехуровневом генераторе.
Рассмотрим искусственный кристалл АИà — Мп»' (так называют кристалл алюмоиттриевого граната1, используемый в качестве лазерного активного элемента. Лазерные кристаллы АИГ— Мб»' получают на основе чистого кристалла АИГ, в который в процессе его выращивания вводят в качестве примеси положительные ионы иеодима Мб»+. Чистый кристалл АИГ является бесцветным прозрачным кристаллом. По своим оптическим свойствам кристалл АИГ является изотропным.
Показатель преломления и = = 1,82. Кристалл оптически прозрачен в диапазоне 240 — 6000 нм, имеет высокую твердость (около 8,6 ед. по Моосу~ и хорошие тепло- проводные свойства, которые примерно иа порядок вьцпе, чем у неодимового стекла, и среди лазерных кристаллов уступают лишь рубину. Лазерные кристаллы АИà — Х6*' получают путем добавления в исходный состав частого кристалла АИГ определенного количества окиси неодима»чо»О», Поскольку радиус ионов неодимз несколько превышает радиус замещаемых ионов иттрия, это приводят к объемной деформации кристаллической решетки чистого кристалла и ограничивает допустимую концентрацию ионов неодима в кристалле.
Оптимальная объемная концентрация ионов иеодима с точки зрения всего комплекса требований составляет примерно 5 10м см '. Высокая твердость кристалла позволяет достигать в процессе полирования его рабочих поверхностей предельно высоких параметров шероховатости поверхности (Я» = = 0,032 —:0,026) и сохранять этот класс в процессе эксплуатации. Для предотвращения потерь на торцах активного элемента, которые достигают для одной грани 8,6»У», рабочие поверхности активных элементов покрывают специальным просветляющим покрытием, снижающим коэффициент отражения от одной грани до 0,2»4.
Важными характеристиками лазерных уровней являются их ширина и характер уширения. В реальных лазерных средах ширина уровней каждого, отдельно взятого иона, определяется 152 уже ие временем жизни уровня, а воздействием на ион колебаний решетки (фононов). С повышением температуры кристалла колебания решетки усиливаются, и уровень уширяется больше. Этот фононный механизм уширения является определяющим для реальных температур эксплуатации активных элементов граната с неодимом (~50 'С). Контур линии перехода описывается лоренцовой кривой. Численное значение ширины линии определяется силой воздействия колебаний решетки иа ионы неодима и выражается через так называемое поперечное время релаксации перехода Т, в виде Лч„= 1/(цТз); Ьм, = 2(Т,.
Величина Т~ представ. ляет собой среднее время расфазировки колебаний дипольных моментов рабочих ионов активной среды, причиной которой является воздействие колебаний решетки кристалла на ионы, Частота и амплитуда этих колебаний определяются физическими характеристиками и температурой кристалла. Время Т,для лазер. ного перехода в диапазоне температур ~50 'С составляет при. мерно 1,8.10 " с, что соответствует полуширине перехода Лм,„= = 195 ГГц. Положение центров отдельных контуров линий ойределяется штарковским сдвигом, задаваемым кристаллическим полем вокруг каждого конкретного иона.
Разброс центров приводит к неоднородному уширению линии перехода. Но, поскольку структура кристаллической решетки матрицы АИГ является правильной, разброс кристаллических полей, а значит, и разброс центров контуров ионов невелик, н поэтому в целом для активной среды можно считать усредненкый контур линии однородно уширениым с лоренцовской формой, совпадающей с формой линии отдельного иона в среде. Важной характеристикой активных элементов лазеров является их оптическая однородность. Низкая оптическая однородность элементов приводит к потерям энергии излучения, ухудшается поперечное распределение интенсивности, нарушается 'поляризация излучения, увеличивается расходимость, Оптические искажения в активных элементах возникают как в процессе выращивания и изготовления, так и в процессе работы под воздействием нагрева источником накачки.
Современная технология позволяет выращивать и изготовлять достаточно большие и совершенные кристаллические активные элементы АИà — Нцз+ длиной 50 — 250 мм и диаметром 4 — 15 мм, что позволяет получать в режиме свободной генерации до десятков джоулей при КПД )~ 1%, а в непрерывном режиме до сотен ватт при КПД около 2,5 — 3%.
В настоящее время создан унифицированный ряд твердотельных лазеров на АИГ: Мбз+ для широкого использования в про,мышленности и научных исследованиях. Наибольшее распространение получили лазеры с непрерывной накачкой дуговыми кркптоновымн лампами, работающими как в непрерывном, так и в импульсном режимах. В последнее время развивается метод селективной накачки с помощью линейки полупроводниковых 153 светодиодов, излучающих в области 0,81 мкм, что позволяет создавать миниатюрные твердотельные лазеры. Лазеры на АИГ: г(ба+ применяются в технологических установках для сварки, сверления, резки, скрайбирования, подгонки номиналов пассивных элементов микросхем, лазерного отжига и др.
Другим веществом, широко используемым в качестве матрицы активного элемента, является стекло. Оио относится к телам аморфного строения, поскольку взаимное расположение атомов (ионоз) в стекле характеризуется ближним порядком, тогда как дальний порядок отсутствует. Ионы активатора аморфной матрицы не внедряются в узлы решетки, как в кристаллической матрице, а входят в стекло в качестве его компонента.
В силу этого стекло допускает большее введение активных центров (до 6%, что соответствует Л~ ж 10м см '). Структура энергетических уровней иона Хб' в стекле примерно такая же, как и кристалле, но полосы поглощения и люминесценции шире. Люмниесценция ионов неодима проявляется при возбуждении в любой из полос поглощения, начиная с 900 им и менее. Она состоит из четырех полос, но наиболее интенсивная люминесценцня соответствует длине волны 1,06 мкм. Ширина этой линии составляет 20 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
