Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Время жизни метастабильного состояния сильно зависит от состава стекла и концентрации иеодима и изменяется в пределах 10 ' †' с. Длительность распада подуровней терма, соответствующего второму лазерному уровню, около 10 ' с. Он находится по отношению к основному состоянию на расстоянии около 2000 см-', что обеспечивает четырехуровневый характер генерашш неодимового лазера при комнатной температуре. В стеклах из-за неоднородности локальных электростатических полей ближайшего окружения линия люминесценция 1,06 мкм сильно неоднородно ушнрена (АХ ж 80 нм) по сравнению с кристаллической матрнцей АИГ: г(бз', где однородное уширение составляет примерно 0,7 нм.
Из различных сортов стекол наибольшее время жизни мета- стабильного состояния и наибольший квантовый выход люминесценции имеют силикатные стекла. Неодимовое стекло в отличие от кристаллов в силу больших объемов и более высокой концентрации активатора хорошо накапливает энергию. Поэтому его наиболее целесообразно применять в качестве активной среды импульсных лазеров высокой энергии. Достигнуты значения импульсной энергии нзлучениа в десятки килоджоулей при КПД до единиц процентов.
Стекло является отличным оптическим материалом, Технология его изготовления хорошо отработана, и из него могут быть получены детали любой формы и размеров: от волокон диаметром в единицы микрометров до дисков диаметром в несколько метров. Главным достоинством стекла является его высокая оптическая однородность. Градиент показателя преломления хорошего лазерного стекла составляет -ь(0,5 —;2) х !54 х 10 ' см '. По этой причине расходимость излучения лазеров на стекле меньше, чем у рубиновых и ЛИГ: 1тб" лазеров. К сожалению, стекло имеет и ряд недостатков. Оно не обладает высокой термостойкостью н хорошей теплопроводностью.
Излучение накачки неравномерно нагревает активный элемент, и зто в силу низкой теплопроводности приводит к возникновению в стекле неоднородного температурного поля, что является причиной термоупругих напряжений, вызывающих оптические искажения. Другим недостатком является фотохимическая неустойчивость стекла. Под действием ультрафиолетового излучения, присутствующего в спектре излучения ламп накачки, происходит восстановление трехвалентиого железа в двухвалентное, которое поглощает излучение на длине волны 1,05 мкм. Результатом этого процесса является «старение» материала, что приводит к постепенному снижению генерационных характеристик, вплоть до исчезновения генерации.
Существует и ряд факторов, ограничивающих мощность генерируемого излучения. Эта процессы поглощения собственного излучения иа микропримесях, эффекты самофокусировкн. К настоящему времени наибольшей лучевой стойкостью обладают неаднмовые стекла, не содержащие примесей мегаллов— платины, железа и т. и., которые имеют технологическое происхождение. В режиме свободной генерации порог разрушения ,составляет 1О' — 1О' Джейсм». В режиме модулированной добротности лучтпие стекла имеют значение пороговой плотности энергии излучения, разрушающей торцы активных элементов, несколько сотен джоулей на квадратный сантиметр. Для сравнения, рубины н гранаты в режиме модулированной добротности разрушаются при 10 — 30 Дж/см'. Действие эффекта самофакусировкн заключается в том, что под действием интенсивного лазерного поля показатель преломления активного элемента изменяется таким образом, что в ием образуется некая эффективная линза, способствующая увеличению плотности поля в среде.
Склонность оптических материалов к самофокусировке характеризуется нелинейным показателем преломления материала активного элемента. В настоящее время отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают более 50 марок активнраванных неодимам стекол, среди которых наибольшее распространение получили силикатные и фосфатные стекла, основой которых является В10» (кварц) или Р«О«.
Сравнительный анализ показывает, что 'с точки зрения порога генерации и КПД более предпочтительнымн являются фосфатные стекла. Другая важная особенность фосфатных стекол — их значительно лучшие термооптические свойства, что позволяет получать пучки излучения с меньшей угловой ,расходнмостью (меиее 5'). В режиме модуляции добротности импульсные мощности лазеов на стекле могут достигать значений 10 " Вт при наносекундной 1ЗЗ длительности импульсов.
В режиме синхронизации мод возможна получение импульсов длительностью менее 1О " с. Ь.5. НЕРСССЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТВЕРЛОТВЛЬНЬСХ ЛАЗЕРОВ Основные направления поиска новых лазерных материалов связаны с повышением КПД генерации, энергии и средней мощности излучения иа единицу объема активной среды, снижением порога генерация, палучеийем перестраиваемой генерации в достаточно широком спектральном диапазоне, расширением области генерации в сторону УФ и ИК областей длин валн. Число кристаллических матриц-основ, использующихся для актнвировання генерирующими иовами, уже превысило 200 наименований Иа их основе создано более ЗЗО различных по структуре и химическому составу лазерных кристаллов. Это главным образом фторидные и кислародсодержащие соединения, балыпниству из которых генерационные свойства прядают трехвалентные ионы лантаноидов (1 и' ).
Иаибалее применяемым активаторам является нан )Яс)з', за ним следуют ноны Но" и Ег". Как уже отмечалось, лазерные кристаллы по спектрально- генерационным свойствам их аксиваторных пентров подразделяются на два типа — простые соединения и разупарядоченные системы. Пад актнваториым центром принято считать условно выделенное нз объема кристалла локальное образование с радиусом порядка линейных размеров элементарной ячейки, состоящее из прямесного иана и непосредственно его окружающих ионов матрицы-основы. Простые фторидные лазерные кристаллы выделяются разнообразием активаторных ионов, в та же время простые упорядоченные окснды характеризуются своей многочисленностью и разнообразием структур.
Представители этого ряда генерирующих кристаллов в ссастоящее время являются самыми используемыми в квантовой электронике и лазерной технике. В разупорядаченных лазерных кристаллических системах характер образования активаторных центров связан с вхождением примеси во множество позиций, где ионы оказываются в слегка отличаюгцихся кристаллических полях (па силе или симметрии). Эти структурные вариации крпсталлнческого поля носят статистическую природу и могут определяться как различным окружением активаториых ионов авионами в первой координационной сфере, так и вероятностью расположения других катионов матрицы ва второй и более дальних сферах.
В разупорядочеииых системах спектры характеризуются шнрокимя полосами, представляющими собой суперпазнцию множества линии. Контуры полос поглощения и люминесценции активироваиных ионов в разупорядо~енных кристаллах являются неоднородно уширеиными при лсобых температурах. К настоящему времени создано несколько десятков разупорядоченных лазерных фторидных и кис1бб ородосодержащих кристаллов с ионами Еп'+. Разупорядоченные фториды с ионами Хср' создавались и сейчас рассматриваются как альтернативные заменители неодимовых лазерных стекол с их неудовлетворительными теплопроводными и нелинейно-оптическими характеристиками.
Для возбуждения стимулированного излучения на том или ином канале активаториого нона в насто'ящее время используется ряд функциональных схем, среди которых самой применяемой является четырехуровневая, Из многочисленных диэлектрических материалов, использующихся для возбуждения генерации стимулированного излучения, соединения со структурой граната являются самыми применяемыми в квантовой электронике, К настоящему времени перечень лазерных матриц с этой структурой уже насчитывает тридцать наименований, генерирующими активаторами в которых служат как ионы Еп" (Хбз' Эу", Но", Ег'+, ТпР' и УЬ"), так и ионы группы железа 1Сгз', Т1" и %э').
Наибольшим вниманием пользуются гранаты с попами Жбз', стимулированное излучение которых с низким порогом и высокой эффективностью возбуждается при 300 К и повышенных температурах на волнах как основного 'Ран -+. зуцль так и дополнительного 'Рзд — '!акмэ каналов активатора. В соединениях со структурой граната получена генерация в спектральном интервале от 0,86 до 3 мкм с использованием ламповой накачки. Одним из путей увеличения эффективности активных лазерных сред является использование явления сеисибилизацин, которая осуществляется путем введения в матрицу дополнительных примесей, поглощающих неиспользуемую часть энергии накачки ' с последующей передачей ее активным центрам.
С этой точки зре, ния чрезвычайно важным является изучение фононных состояний матриц-основ и разнообразных проявлений электрон-фоноиного взаимодействия, поскольку они во многом определяют физику процессов, протекающих в лазерных кристаллах при их возбуждении. Наиболее успешно для этих целей служат ионы хрома Сг"+, имеющие две широкие полосы поглощения в областях 0,43 и 0,39 мкм.
Примером использования явления сеисибилнзацин является гадолиний-сканий-галлиевый гранат 1ГСГГ) с примесью ионов хрома и неодима, который не только эффективно преобразует энергию накачки в лазерное излучение, но и удовлет; воряет всем требованиям в отношении твердости, прозрачности, теплопроводности, технологичности н т. д. Кристаллы ГСГГ позволяют увеличить КПД в несколько раз по сравнению с ЛИГ.
Особенно перспективны кристаллы ГСГГ при создании малогабаритных низкопороговых твердотельных лазеров. Бажнон особенностью ГСГГ является высокая радиационная стойкость, позйоляющая эксплуатировать их в условиях космического пространства. К наиболее интересным результатам последних лет следует отнести получение при 300 К плавноперестраиваемого стимулированного излучения в красном и ближнем ИК участках спектра 157 на электронно-колебательных (вибронных) переходах ионов Сп" ('Е, 'Т, — 'Я,) в алексаидрите (ВеА!,04), изумруде (Ве,А1,(ЯОз)), и некоторых гранатах.
Квантовые генераторы иа основе этих соединений относятся к категории фонониых и генерируют по четырехуровневой схеме с низкорасположениыми конечными рабочими уровнями, которые соответствуют колебательным модам кристалла-матрицы. Одним из перспективных является и недавно созданный фонояный лазер на основе кри.
сталла А!,0, с ионами Т)з' с перестройкой генерации прн 300 К в интервале длин волн от 0,71в до 0.77 мкм (канал 'Š— 'Т,~ Следует отметить, что монокристаллы А1,0з обладают замечательными теплопроводными и механическими характеристиками н могут быть выращены на современном этапе ростового эксперимента существенно больших размеров, чем александрит, изумруд и гранаты. При лазерной накачке генерация ионов титана Тйм в А1,0, была получена в диапазоне перестройки от 0,68 до 0,93 мкм. Много внимания уделяется изучению гранатов с высокой концентрацией ионов Ноя+ и Вг", которые позволяют получать при 300 К трехмикронную генерацию при возбуждении излучением импульсных ламп. Трехмикрониое стимулированное излучение гранатовых эрбиевых и гольмиевых кристаллических лазеров имеет определенный практический интерес, например, для обезвоживания поверхностей в лазерной хирургии и биотехнологии, в фотоакустике и для других применений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
