Твердотельные лазеры.Спонтанные процессы излучения происходят повсюду и повсеместно. Это излучение нагретых тел, светящихся газов, электрических разрядов и т. д. Чтобы практически получить индуцированное излучение, следует обеспечить выполнение следующих основных условий: 1. Необходимо иметь активное вещество с инверсией населенности DN = Nn-Nm, где Nn и Nm - населенность уровней энергии Еn, Еm, которая достигается накачкой. 2. Активное вещество необходимо поместить в оптический резонатор (систему двух параллельных зеркал), чтобы осуществить положительную обратную связь. В результате этого часть излучаемой энергии, распространяясь внутри активного вещества, усиливается за счет вынужденного испускания фотонов все новыми и новыми атомами, вовлекаемыми в процесс излучения. 3. Усиление, создаваемое активным веществом, должно быть больше некоторого суммарного порогового значения потерь энергии в резонаторе, определенного для каждого твердого тела. Генерация будет возможна при выполнении условий самовозбуждения. В таких лазерах используют трех и четырех уровневые системы. В общем случае в таких лазерах изменение населенности уровней обусловлено тремя квантовыми механизмами: - спонтанными переходами частиц на нижний энергетический уровень; - индуцированным излучением и поглощением; - безизлучательными переходами, возбуждаемыми тепловыми процессами и взаимодействием с колебаниями кристаллической решетки.
В твердотельных лазерах в качестве активной среды используются кристаллические или аморфные (стеклообразные) диэлектрики, содержащие центры люминесценции (активные центры). В этих лазерах в качестве активных сред используются твердые вещества (рубин, стекло, иттрий-аллюминиевый гранат и т. д.). Твердотельный активный элемент выполняется в виде цилиндрического стержня, на торцы которого наносят зеркальные покрытия, образующие резонатор (однако, резонаторы могут быть и внешними). Рассмотрим основные особенности твердотельных лазеров. Большинство реальных твердотельных лазеров имеет длину до нескольких десятков сантиметров (хотя, в принципе, возможно получение lр <1см) при диаметре d =0,5…5см. Такие размеры определяют малую расходимость лазерного луча (jизл=1о). Из-за высокой концентрации активных атомов их энергетические уровни расщепляются в зоны. Поэтому монохроматичность этих лазеров хуже, чем у газовых, но лучше, чем у полупроводниковых лазеров. Для них коэффициент монохроматичности Dl/lmax£10-4. Структурная схема твердотельного лазера
В состав схемы входят следующие устройства. Излучательная головка (ИГ), которая предназначена для преобразования электрической энергии сначала в световую, а затем в энергию монохроматического лазерного излучения. Блок конденсаторов (БК), предназначенный для накопления электрической энергии. Выпрямительное устройство (В), преобразующее переменное напряжение в напряжение постоянного тока. Блок поджига (БП), вырабатывающий высоковольтный импульс напряжения для запуска лампы - вспышки (ЛВ) излучательной головки. Пульт управления (ПУ) предназначен для управления работой и контроля основных параметров лазерного устройства. Излучательная головка является основным элементом лазера и состоит из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора (иногда эллипсо-цилиндрического).
Первым твердотельным лазером был рубиновый лазер. При этом использовались кристаллы синтетического рубина с содержанием хрома 0,05% (розовый цвет) и 0,5% (ярко красный цвет). Основная особенность рубинового лазера – это генерация излучения в видимой части спектра: l изл =0,694мкм. При работе в непрерывном режиме мощность излучения Pнепр =0,1…1Вт. Рубин -окись алюминия, в котором часть атомов Al заменена атомами хрома (от 0, 05 до 0, 5%). Торцевые поверхности стержня полируют, делают параллельными с точностью до 9...19′и покрывают серебром или диэлектриком с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12 классу. Рефлектор осуществляет распределение света от ЛВ на рубиновый стержень. Блок поджига формирует высоковольтный импульс, амплитудой U = 10 КВ для начальной ионизации газа в лампах. Поддерживает свечение лампы вспышки блок конденсаторов. Оптимальными параметрами среди твердотельных лазеров обладают лазеры на иттрий–алюминиевом гранате, активированном неодимом (ИАГ: Nd). Его состав выражается формулой Y3Al5O5. Причем в его кристаллической решетке часть атомов иттрия замещено ионами неодима. ИАГ: Nd лазер генерирует на длине волны l=1,06 мкм, что почти оптимально для волоконно-оптических линий связи, так как на этой длине волны потери малы. При использовании lизл=0,53 мкм мы оказываемся в спектральной области, обеспеченной высокоскоростными фотодиодами с барьером Шоттки. Эти лазеры способны обеспечить в непрерывном режиме оптическую мощность Pнепр =10…104Вт, Pимп =30…300кВт (при tи=30нс, f= 108…109Гц). Как правило, почти все твердотельные лазеры имеют оптическую систему накачки. Чаще всего для этих целей используют излучение газоразрядных ламп, но иногда используют светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Применение оптической накачки снижает КПД этих лазеров. Возникающее световое излучение приводит к переходу ионов хрома в возбужденное состояние. В стержне возникает генерация и вся энергия, запасенная в возбужденных ионах активного вещества, высвобождается в одном коротком импульсе, длительность которого достигает tи = 10-9 с, а Ри достигает 50 МВт. В связи с тем, что концентрация активных центров в твердом теле гораздо выше, чем в газах, при небольших размерах можно получать значительные мощности лазерного излучения. Так лазер типа ОГМ-20 на рубине при t и = 20 нс обеспечивает Ри = 2´104 КВт, а лазер типа ЛТИПЧ-1 на стекле при t и = 15 нс обеспечивает Ри =105 КВт. Главные недостатки газовых и твердотельных лазеров – это невозможность внутренней модуляции излучения. Эксплуатационные характеристики неинжекционных лазеров также не всегда удовлетворительны. Так долговечность большинства из них не превышает (0.5…5)103 час, рабочая температура газовых лазеров иногда ограничена узким диапазоном –10…+400С. Поэтому неинжекционные лазеры применяются лишь в отдельных областях оптоэлектроники: газовые лазеры пока не заменимы в голографических ЗУ, твердотельные – в лазерной локации, лазеры с электронным возбуждением перспективны в проекционном телевидении. Основным недостатком этого типа мощных лазеров является невысокий КПД, составляющий 1...3,5%. Таким образом:
|
