Твердотельные лазеры и их использование

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

КАФЕДРА: ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

 

 

 

 

 

 

 

ДОКЛАД НА ТЕМУ: ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Твердотельный лазер —  это лазер, в котором активной средой являются активированные диэлектрические  кристаллы и стёкла или диэлектрические  кристаллы с собственными точечными  дефектами. В качестве активаторов  кристаллов и стёкол обычно служат ионы редкоземельных элементов или  ионы группы железа. Собственные точечные дефекты в кристаллах возникают  под воздействием ионизирующего  излучения или путём аддитивного  окрашивания. Энергетические уровни активаторов  или собственных дефектов используются для создания инверсной населённости. Диапазон длин волн генерации твердотельных  лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Твердотельные лазеры работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах. У существующих твердотельных лазеров мощность генерации в непрерывном режиме может достигать 1-3 кВт при удельном энергосъёме ~ 10 Вт с 1 см3 активной среды при кпд ~3%. Средняя мощность 10^3 Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в твердотельных лазерах импульсно-периодического действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10^-3 10^-4с.

Твердотельные лазеры занимают уникальное место в развитии лазеров.  Это простые в обслуживании устройства, способные генерировать энергию  высокой мощности.

Генерация твердотельных  лазеров осуществляется по трёх- или  четырёхуровневой схеме. Активный элемент  этих лазеров обычно имеют форму  кругового цилиндра или стержня  прямоугольного сечения. Иногда применяют  и активный элемент более сложных  конфигураций. Наибольшее распространение  получила конструкция твердотельных  лазеров, в которой цилиндрический активный элемент вместе с газоразрядной  лампой накачки помещаются в камеру-осветитель, концентрирующую излучение лампы накачки в активный элемент. Из-за многократности отражения излучения накачки от внутренней поверхности камеры-осветителя достигается более полное его поглощение в активный элемент. Применяют осветители, в которых одна лампа накачки работает на нескольких активных элементах или, напротив, один активный элемент накачивается несколькими лампами.

Виды накачки твердотельных  лазеров

В твердотельных лазерах  используется оптическая накачка.

Оптическая накачка –  метод создания инверсии населенности в веществе воздействием электромагнитного  излучения более высокой частоты, чем частота квантового инверсионного  перехода. Частота оптической накачки  должна совпадать с частотой интенсивных  линий поглощения вещества.

 Выбор оптической схемы  накачки зависит от требований, предъявляемых к лазеру в каждом  конкретном случае. В качестве  источника света используются  лампы и светодиоды.

Лазер с поперечной накачкой лазерными диодами

1 – активный элемент, 2 – ЛД, 3,4 – зеркала, 5 – модулятор добротности.

Схемы генерации твердотельных  лазеров

Впервые индуцированное излучение  в оптическом диапазоне было получено Т. Майманом в 1960 году в твердотельном рубиновом импульсном генераторе. Созданию первого лазера предшествовали фундаментальные исследования советских (А.М. Прохоров, Г.Н. Басов) и зарубежных (А. Шавлов, У. Таунс, Д. Вебер) ученых. Другим типом твердотельных лазеров импульсного действия были четырехуровневые генераторы на стекле, активированном неодимом, с длиной волны излучения λ0=1,064 мкм. Этот генератор был создан Е. Снитцером в 1961 г.

Для описания модели твердотельного лазера следует выполнить три  основные условия:

1. Необходимо иметь вещество  с инверсией населенностей ∆N = Nn – Nm, т.е. чтобы из двух выбранных уровней верхний уровень был заселен больше, чем нижний, где Nn, Nm – населенности уровней энергии En, Em. Инверсия населенности определяется 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 активной среды, усиливается за счет вынужденного испускания фотонов все новыми и новыми атомами, вовлекаемыми в процесс излучения.

3. Усиление G(ν), даваемое  активной средой, должно быть  больше некоторого суммарного  порогового значения потерь в  резонаторе β∑, определенного для  каждого твердого активного вещества. Генерация будет возможна при  выполнении условия самовозбуждения: G(ν) ≥ β∑

 

 а- трехуровневая и б- четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

В твердотельных лазерах  используются трех- и четырехуровневые системы накачки уровней (рисунок ). В первой системе излучение оптической накачки переводит квантовые частицы в широкую полосу поглощения Е2, затем атомы быстро переходят на метастабильный уровень Е1. Если мощность накачки достаточна, то между основным уровнем Е0 и уровнем Е1 возникает инверсия населенностей. Генерация вынужденного излучения происходит с метастабильного уровня Е1 на основной (либо с Е2 на вспомогательный уровень Е1 в четырехуровневой системе).

В общем случае изменение  населенностей уровней обусловлено  тремя квантовыми механизмами: спонтанными  переходами на нижние уровни; вынужденным  излучением и поглощением; безызлучательными  переходами, возбуждаемыми тепловыми  процессами и взаимодействиями с  колебаниями кристаллической решетки.

 

 

  Преимущества твердотельных лазеров:

• Высокая удельная мощность;
• Высокое качество при большой мощности (TEM00);
• Высокий кпд (с диодной накачкой) 20%;
• Большая энергия (до кДж/импульс);
• Широкий диапазон длин волн;
• Широкий диапазон длительностей импульсов (от 10-2 до 10-14 с);
• Совместимость длин волн с оптическим волокном - возможность доставки излучения по оптоволокну;
• Возможность внутрирезонаторного удвоения частоты генерации;
• Большая яркость;

 

Применение твердотельных  лазеров

• Лазерная технология (сварка, резка и др.);
• технология электронных приборов;
• медицина;
• лазерная локация;
• системы контроля состава атмосферы;
• оптическая обработка информации;
• интегральная и волоконная оптика;
• лазерная спектроскопия;
• лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез;
• лазерная химия и лазерное разделение изотопов;
• нелинейная оптика;
• сверхскоростная фотография;
• лазерные гироскопы;
• сейсмографы и другие точные физические приборы.

 

 

Использованная литература

• Чижиков В.И. Твердотельные лазеры с диодной накачкой // Соровский образовательный журнал. Том № 7. 2001. №8. С. 104-106;
• Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники // К., Высшая школа, Головное издательство, 1988. - 383 с.