Московский инженерно-физический институт(государственный университет)

ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИИ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Кафедра №37Кафедра №37«ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»«ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»

ЛАЗЕРНАЯЛАЗЕРНАЯТЕХНОЛОГИЯТЕХНОЛОГИЯ

Лекция-Лекция-1010

Лазерные технологические установки Лазерные технологические установки на основе твердотельных лазеров.на основе твердотельных лазеров.

Сравнительные характеристики активных сред Сравнительные характеристики активных сред твердотельных лазеров.твердотельных лазеров.

Среди множества кристаллов с различными примесями Среди множества кристаллов с различными примесями наиболее широкое применение нашли Alнаиболее широкое применение нашли Al22OO33:Cr:Cr3+3+ (рубин) и (рубин) и

YY33AlAl55OO1212:Nd:Nd3+3+(иттрий-алюминиевый гранат - (иттрий-алюминиевый гранат - YAGYAG). Прочие ). Прочие

лазерные кристаллы по разным причинам применяют гораздо лазерные кристаллы по разным причинам применяют гораздо реже, в лабораторной лазерной технике. Промышленность реже, в лабораторной лазерной технике. Промышленность

выпускает также лазеры на основе различных стекол с Ndвыпускает также лазеры на основе различных стекол с Nd3+3+ (для (для технологических лазеров) и стекловолокон с Erтехнологических лазеров) и стекловолокон с Er3+3+, , YbYb3+3+ (для (для

волоконных лазеров).волоконных лазеров).

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРРУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРРубин представляет собой ионный кристалл окиси алюминия (глинозем, корунд, Рубин представляет собой ионный кристалл окиси алюминия (глинозем, корунд, лейкосапфир или просто сапфир) Alлейкосапфир или просто сапфир) Al22OO33 с замещением части ионов Al с замещением части ионов Al3+3+ на Cr на Cr3+3+. .

Нелегированный корунд - кристалл, по твердости уступающий только алмазу, с Нелегированный корунд - кристалл, по твердости уступающий только алмазу, с заметным двулучепреломлением (показатель преломления для обыкновенной волны заметным двулучепреломлением (показатель преломления для обыкновенной волны 1.76). Теплоповодность его при комнатной температуре на порядок хуже, чем у 1.76). Теплоповодность его при комнатной температуре на порядок хуже, чем у металлов, а при снижении температуры теплопроводность растет, достигая металлов, а при снижении температуры теплопроводность растет, достигая максимума вблизи температуры жидкого азота, где она становится лучше, чем у максимума вблизи температуры жидкого азота, где она становится лучше, чем у меди.меди.Оптимальной принято считать концентрацию ионов хрома около 0,05% (по массе). Оптимальной принято считать концентрацию ионов хрома около 0,05% (по массе). Повышение концентрации хрома, во‑первых, снижает однородность накачки за счет Повышение концентрации хрома, во‑первых, снижает однородность накачки за счет более сильного светопоглощения. Во‑вторых, при высокой концентрации более сильного светопоглощения. Во‑вторых, при высокой концентрации легирующих ионов их уровни энергии испытывают уширения и сдвиги за счет легирующих ионов их уровни энергии испытывают уширения и сдвиги за счет взаимодействий между близко расположенными ионами. Чисто кулоновское взаимодействий между близко расположенными ионами. Чисто кулоновское взаимодействие дает сдвиг и некоторое неоднородное уширение. Обменное взаимодействие дает сдвиг и некоторое неоднородное уширение. Обменное взаимодействие из‑за перекрытия волновых функций локализованных состояний взаимодействие из‑за перекрытия волновых функций локализованных состояний ионов превращает уровень энергии в квазинепрерывную полосу (примесную зону), ионов превращает уровень энергии в квазинепрерывную полосу (примесную зону), внутри которой облегчены пространственная миграция энергии возбуждения и внутри которой облегчены пространственная миграция энергии возбуждения и релаксационные процессы. Результатом обменного взаимодействия будет релаксационные процессы. Результатом обменного взаимодействия будет дополнительное однородное уширение. Изредка используют рубины с содержанием дополнительное однородное уширение. Изредка используют рубины с содержанием хрома до 1%. В этих случаях нужна очень мощная накачка, но и энергия излучения хрома до 1%. В этих случаях нужна очень мощная накачка, но и энергия излучения может быть гораздо большей.может быть гораздо большей.

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРРУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРСистему уровней энергии ионов CrСистему уровней энергии ионов Cr3+3+, показанную на рисунке, приближенно , показанную на рисунке, приближенно описывает простая трехуровневая схема. Излучение накачки поглощается на описывает простая трехуровневая схема. Излучение накачки поглощается на переходах переходах 44AA22 ‑  ‑ 44FF1,21,2 (сине-зеленая и фиолетовая полосы поглощения). Время жизни (сине-зеленая и фиолетовая полосы поглощения). Время жизни 44F‑состояний мало (10F‑состояний мало (10-7-7 ..10 ..10-8-8 с); его определяют безызлучательные переходы в  с); его определяют безызлучательные переходы в метастабильное состояние метастабильное состояние 22E, расщепленное на два близких (29 смE, расщепленное на два близких (29 см‑1‑1) подуровня, 2A ) подуровня, 2A и Е. Их заселенности при комнатной температуре практически одинаковы и Е. Их заселенности при комнатной температуре практически одинаковы (kT (kT  200 см 200 см-1-1). Переходы из этих долгоживущих состояний ( 3 мс ) в основное и ). Переходы из этих долгоживущих состояний ( 3 мс ) в основное и способны дать лазерную генерацию на линиях R1 (693,4 нм) и R2 (692,9 нм). способны дать лазерную генерацию на линиях R1 (693,4 нм) и R2 (692,9 нм). Указанные длины волн лазерных переходов относятся к комнатной температуре; Указанные длины волн лазерных переходов относятся к комнатной температуре; при понижении температуры кристалла они уменьшаются под влиянием решетки.при понижении температуры кристалла они уменьшаются под влиянием решетки.

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРРУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР

Импульс рубинового лазера.Импульс рубинового лазера.

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРРУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРДля рубинового (и вообще трехуровневого) лазера разумно определить два Для рубинового (и вообще трехуровневого) лазера разумно определить два пороговых уровня мощности накачки:пороговых уровня мощности накачки:порог инверсии - мощность, необходимая для уменьшение в два раза заселенности порог инверсии - мощность, необходимая для уменьшение в два раза заселенности основного состояния; при этом заселенности нижнего и верхнего рабочих уровней основного состояния; при этом заселенности нижнего и верхнего рабочих уровней лазера будут равными;лазера будут равными;порог генерации - мощность, необходимая для полной компенсации потерь порог генерации - мощность, необходимая для полной компенсации потерь излучения в лазере усилением активной среды.излучения в лазере усилением активной среды.Еще одно важное свойство трехуровневой активной среды - поглощение на частоте Еще одно важное свойство трехуровневой активной среды - поглощение на частоте самого лазерного излучения в пассивных (не освещенных интенсивным излучением самого лазерного излучения в пассивных (не освещенных интенсивным излучением накачки) участках рабочего вещества. Наличие таких пассивных областей из-за накачки) участках рабочего вещества. Наличие таких пассивных областей из-за неудачной конструкции ухудшает рабочие характеристики рубинового лазера, в неудачной конструкции ухудшает рабочие характеристики рубинового лазера, в первую очередь снижая энергию и мощность излучения, а также влияет на первую очередь снижая энергию и мощность излучения, а также влияет на динамику его излучения (зависимость мощности от времени, характер динамику его излучения (зависимость мощности от времени, характер самопроизвольных пульсаций излучения и т.п.). самопроизвольных пульсаций излучения и т.п.). Типовой режим работы лазера на рубине - импульсный. Так как время жизни Типовой режим работы лазера на рубине - импульсный. Так как время жизни верхнего лазерного уровня порядка миллисекунды, то имеет смысл использовать верхнего лазерного уровня порядка миллисекунды, то имеет смысл использовать световые импульсы накачки длительностью от сотен микросекунд до единиц световые импульсы накачки длительностью от сотен микросекунд до единиц миллисекунд. Для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы миллисекунд. Для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы с ксеноном или криптоном (100 Торр), дающие практически белый свет с с ксеноном или криптоном (100 Торр), дающие практически белый свет с существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы хрома имеют сильные полосы поглощения.хрома имеют сильные полосы поглощения.

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРРУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРа) б)

Осциллограммы импульсов рубинового лазера. а)- в режиме свободной генерации, б), в) – в режимах сглаживания г) – в квазистационарном режиме.

а)а) б)б)

в)в) г)г)

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРРУБИНОВЫЙ ЛАЗЕРа) б)

Структурная схема рубинового лазера. а)-Структурная схема рубинового лазера. а)-Излучатель показан в продольном разрезе.Излучатель показан в продольном разрезе. б) - Поперечный разрез излучателя рубинового лазераПоперечный разрез излучателя рубинового лазера

Твердотельные Твердотельные NdNd::YAGYAG-лазеры-лазерыа) б)

Упрощенная схема энергетических уровней Упрощенная схема энергетических уровней кристалла Nd:YAGкристалла Nd:YAG (обозначения слева в термах рис. (обозначения слева в термах рис. 1.1, обозначения уровней получены из теоретико- 1.1, обозначения уровней получены из теоретико- группового анализа состояний ионов в кристаллегруппового анализа состояний ионов в кристалле

Твердотельные Твердотельные NdNd::YAGYAG-лазеры с -лазеры с ламповой накачколамповой накачкойй

а) б)

1 — заднее зеркало, 2 — лампа накачки, 3 — 1 — заднее зеркало, 2 — лампа накачки, 3 — кристалл кристалл NdNd::YAGYAG, 4 — отражатель, 5 — заслонка, , 4 — отражатель, 5 — заслонка, 6 — выходное зеркало, 7 — модулятор света, 8 — 6 — выходное зеркало, 7 — модулятор света, 8 — фокусирующая оптическая системафокусирующая оптическая система

Твердотельные Твердотельные NdNd::YAGYAG-лазеры с -лазеры с диодной накачкойдиодной накачкой

а) б)

1- заднее зеркало, 2 - лазерные диоды оптической 1- заднее зеркало, 2 - лазерные диоды оптической накачки, 3 - кристалл Nd:YAG, 4 - корпус, 5 - накачки, 3 - кристалл Nd:YAG, 4 - корпус, 5 - заслонка, 6 - выходное зеркало, 7 - модулятор света, заслонка, 6 - выходное зеркало, 7 - модулятор света, 8 - фокусирующая оптическая система8 - фокусирующая оптическая система

Волоконные лазерВолоконные лазеры ы а) б)

Оптическая система с волоконным лазером: 1 — Оптическая система с волоконным лазером: 1 — сердцевина, легированная металлом, диаметр 6–8 сердцевина, легированная металлом, диаметр 6–8 мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное покрытие; 5 — лазерные диоды оптической покрытие; 5 — лазерные диоды оптической накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор света; 10 — фокусирующая оптическая системасвета; 10 — фокусирующая оптическая система

Волоконные лазерВолоконные лазеры ы а) б)

Форма пучка разных лазерных источников: а — Форма пучка разных лазерных источников: а — волоконные лазеры, одномодовый режим; б — волоконные лазеры, одномодовый режим; б — Nd:YAG-лазеры, многомодовый режим; в — Nd:YAG-лазеры, многомодовый режим; в — излучение лазерных диодов излучение лазерных диодов