О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 25

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

 

 

 

активний елемент буде менше розігріватися. Тому для досягне­ння високих показників підсилення, для низького рівня сигналу, використовують першу С - область, а для використання як пер­винного ланцюга підсилення з низьким рівнем шумів — другу.

Волоконний лазер має низку переваг в порівняно з іншими типами лазерів:

- можливість використання скляних лінзових систем дляфокусування;

-   мінімальні втрати випромінювання в оптичному волокні, що дозволяє або зробити лазер компактним (змотане волокно), або без допоміжних дзеркальних систем доставляти випромі­нювання, наприклад на місце зварювання;

-   високий ступінь поглинання короткохвильового випромі­нювання металами;

-   малий розмір вихідної апертури променя (300 мкм) та мале розходження випромінювання дозволяють добре сфокусувати лазерний промінь і збільшити фокальну відстань;

-   високий ККД лазера 35%;

-    можливість створення систем високої потужності до 100кВт при поєднанні кількох волоконних лазерів в один;

-    мала тепловіддача, що не потребує інтенсивного охоло­дження;

-    майже непотрібні юстування, чищення, налаштування та

ін.;

-    допускає розміщення у звичайних робочих приміщеннях без урахування спеціальних вимог до вібрації тощо;

-    термін роботи до 100000 годин, оскільки відсутні великі навантаження на діоди та волокно.

 

7.3.   Оптичні квантові генератори на діелектричних пара­магнітних кристалах та склі

 

Твердотільними називають, як правило, лазери, активним середовищем яких є аморфний або кристалічний діелектрик: кристал, скло, пластичні маси. Вони є надійними та порів­няно простими в експлуатації. При невеликих габаритах мо­жуть генерувати достатньо високі імпульсні потужності (при­близно 1012 1014 Вт), наднетривалі світлові імпульси (при­близно 10-12 10-15с), а також працювати в безперервному режимі з вихідною потужністю від мВт до сотень Вт. Викори­стовується тільки оптичне накачування. При ламповому нака­чуванні загальний ККД лазера не перевищує декількох відсо­тків, а при накачуванні інжекційними напівпровідниковими ла­зерами збільшується на порядок. Волоконні лазери, розглянуті в попередньому розділі, також належать до цього типу лазерів. Різноманітні модифікації твердотільних лазерів повною мірою розглянуті в [10]— [22], [26]— [33], [72]— [76].

Твердотільні лазери працюють у безперервному та в імпуль­сних режимах, в тому числі й у режимах вільної генерації, мо­дульованої добротності та синхронізації мод. Більшість твер-дотільних лазерів працюють у режимі імпульсного збудження і за відсутності спеціальних заходів мають специфічний пічковий режим.

Напівпровідникові лазери мають інші механізми накачува­ння і генерації, тому їх будемо розглядати окремо.

Загальними прикладами твердотільних оптичних квантових генераторів (ОКГ) можуть бути широковідомі рубінові ОКГ або неодимові лазери.

Розглядаючи твердотільні ОКГ, необхідно враховувати принципові особливості таких приладів. Концентрація актив­них частинок у твердому матеріалі (10171021 см-3), що на кіль­ка порядків перевищує концентрацію частинок у газових сере­довищах. Тому у твердому тілі заселеності енергетичних рівнів значно вищі. Природно, що й абсолютна величина інверсіїзасе-леності може бути істотно більшою, ніж у газах. Звідси випли­ває, що тверді активні середовища характеризуються високими коефіцієнтом підсилення. Це дозволяє, по-перше, одержувати більші потужності генерації, а, по-друге, домагатися генерації при малій довжині активного елемента.

Тверде тіло як оптичне середовище має набагато меншу оптичну однорідність порівняно з газами. Це призводить до ви­никнення об'ємних втрат на розсіювання, зниження добротно­сті резонатора у випадку значної довжини активного елемен­та. Тому не є доцільним виготовляти активні елементи великої довжини. Активні елементи ОКГ (за виключенням волоконних) мають у середньому максимальну довжину, не більшу за 50 — 60 см для найбільш оптично однорідних матеріалів. У разі за­стосування скла довжина активного елемента може досягати 1 м.

Крім того, оптична неоднорідність середовища призводить до того, що надпорогова інверсія створюється не по всьому пе­рерізу активного елемента, а в певних вузьких каналах. Тому кут розбіжності пучка лазерного випромінювання, навіть із ди­фракційних міркувань, виявляється значним. Хвильовий фронт у твердих тілах унаслідок дефектів, неоднорідного складу, тер­мопружних напружень, змінного коефіцієнта заломлення має істотні спотворення. Тому в твердотільних ОКГ кут розбіжності виміряється десятками хвилин.

Спектральний діапазон роботи твердотільних лазерів обме­жується оптичною прозорістю активного середовища. З коро­ткохвильового боку він обмежується процесами власного по­глинання, а з довгохвильового — фононною взаємодією. Тому ці лазери працюють у ближній УФ, видимій та ближній ІЧ- обла­стях спектра [19], [22].

У твердому тілі взаємодія між частинками істотно впливає на структуру енергетичних рівнів. Як правило, енергетичні рівні частинок твердого тіла мають більшу ширину. Лінія спонтан­ного випромінювання й генерація розпливаються в широкі спе­ктральні смуги. Для спонтанного випромінювання характерна ширина смуги у кілька ангстремів (кристали) або кілька де­сятків ангстремів (стекла). Ширина лінії генерації становить у найкращому разі частки ангстремів [10]— [19], [22], [26]— [33].

Активне середовище твердотільних лазерів містить актив­ні іони-домішки у твердотільній матриці. Матриця не бере уча­сті у фізичних процесах, що призводять до генерації. Основна перевага скляних та пластмасових середовищ порівняно з кри­сталами — простота виготовлення активних елементів будь-якої форми й розмірів, більш висока оптична однорідність, ізотро­пність властивостей, можливість введення активатора в необ­хідних концентраціях з рівномірним розподілом його всередині активного елемента. Але за деякими параметрами скло посту­пається кристалам:

-   спектральні лінії випромінювання в склі розширені через відсутність визначень кристалічної структури;

-   скло має більш низький квантовий вихід випромінювання;

-   гірші теплофізичні властивості - мала теплопровідність і високий коефіцієнт термічного розширення.

Генерацію лазерного випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 0,3 до 3 мкм можна отримати, використовуючи велику кількість іонів: металів, перехідних елементів, рідкісноземель­них елементів, актиноїдів, лантаноїдів. Іони рідкісноземельних елементів, і особливо тривалентний іон неодиму, мають дуже зручну для лазерів структуру оптичних енергетичних рівнів. За винятком лазерів типу рубінового та александритового, майже всі вони працюють за чотирирівневою схемою.

Оптимальну сукупність параметрів мають: рубін, алюмоі-трієвий гранат з неодимом, скло з неодимом, ітербій-ербієве скло, алюмінат ітрію з неодимом, натрій-лантан-молібдат з не­одимом, флюорит кальцію з діспрозієм та гадоліній-скандій-галієвий гранат з хромом та неодимом.

Загальна схема твердотільного ОКГ наведена на рис. 7.6. Оскільки в процесі роботи ОКГ робоча речовина, лампи нака­чування й відбивач сильно нагріваються, необхідно передбача­ти їх охолодження. Надзвичайно важливо витримувати тепло­вий режим роботи активної речовини. Підвищення температури викликає зміну його оптичних і спектроскопічних властивостей, при цьому зменшуються квантовий вихід випромінювання і ко­ефіцієнт підсилення, відбувається розширення робочих рівнів, змінюється довжина хвилі коливань.
Нагрівання активних елементів, як правило, нерівномірне. У результаті з'являються температурні градієнти і напруження у кристалі або склі. Якщо активний елемент має низьку тепло­провідність і з недостатньою механічною міцністю термічні на­пруження, що виникають, можуть бути причиною його повного руйнування.

 

 

7.3.1.   Рубшовий лазер

Першим оптичним квантовим генератором на парамагнітних кристалах був ОКГ, де як оптичний елемент використовувався кристал рубіну [10]— [19], [22], [26]— [33]. Він був винайдений

Рисунок 7.7 — Доктор Т. Мейман поряд зі своїм винаходом

рубіновим лазером

 

 

У лазерах використовується штучно синтезований блідо-рожевий рубін зі вмістом іонів хрому (~ 0,05 %). Енергети­чні рівні рубіну утворюються за рахунок трьох електронів у 3d-оболонці іона Cr3+ решітки, що перебувають під дією поля, Al2O3 . На рис. 7.8 показані основні рівні, використовувані для лазерної генерації.

Рубін має дві основні смуги поглинання 4F і 4F2, причому найбільш інтенсивне поглинання на ці смуги з основного стану 4A2 відбувається на довжині хвилі відповідно 0,55 мкм (зеле­на) і 0,42 мкм (фіолетова). Ці смуги зв'язані дуже швидкою (за час порядку пікасекунд) безвипромінювальною релаксацією зі станом E і 2A. Оскільки ці два останні стани тісно пов'язані один з одним дуже швидкою безвипромінювальною релаксаці­єю (~ 10-9с), то їх заселеність термалізується, що призводить до більш високої заселеності рівня E. Час релаксації в основ­ний стан як рівня E, так і 2A, досить великий, оскільки, як ми вже відзначали, обидва переходи заборонені як в електроди-польному наближенні, так і за спіном (на переході між станами 2E і 4A2 відбувається зміна сумарного спіну).-4A2

Рисунок 7.8 Спрощена схема активних центрів Cr3+ у кристалі корунду Al2O3

 

 

Таким чином, на рівні E накопичується більша частина енергії накачування, i отже, цей рівєнь добре підходить на роль верхнього лазерного рівня. Заселеність рівня 2A небагато мен­ша. Лазерна генерація в рубіні спостерігається на переході E 4 A2 (лінія Яі) з довжиною хвилі А = 6943 нм і 2A 4 A2 (лі­нія R2, А = 6929 нм). Рубінові лазери звичайно генерують лінію R1, оскільки для неї забезпечується більш низький поріг гене­рації. Лазерна генерація на лінії Я2 може бути отримана за до­помогою, наприклад, дисперсійних резонаторів. Довжина хвилі цих ліній залежить від температури кристала. Залежність дов­жини хвилі генерації від температури кристала є специфічною особливістю твердотільних ОКГ.

Рубінові лазери працюють в імпульсному режимі й мають такі вихідні параметри: у режимі модульованої добротності його потужність в одиночному гігантському імпульсі тривалістю 10— 20 нс становить 10—50 Мвт; у режимі синхронізації мод пікова потужність в імпульсі тривалістю ~ 10 пс порядку ГВт. При накачуванні ртутними лампами високого тиску лазера на рубіні можуть працювати також і в безперервному режимі.Оскільки рубіновий лазер працює за трирівневою схемою, необхідна гранична енергія накачування приблизно на порядок перевершує відповідну величину для неодимового лазера таких самих розмірів. У зв'язку із цим лазери на рубіні поступаються місцем останнім. Однак рубінові лазери все ще широко засто­совуються в деяких наукових і технічних додатках, для яких ко­ротші довжини хвиль генерації рубіну більш перспективні.

 

 

7.3.2.   Неодимові лазери

Неодимові лазери є одними із найпоширенішими із твер-дотільних лазерів. У них активним середовищем є кристал Y2Al5O12 (ітрій- алюмінієвий гранат YAG), у якому частина іонів Y3+ заміщена іонами Nd3+. Використовуються також фо­сфатні, силікатні стекла або кварцові хвилеводи, леговані іона­ми Nd3+ [10] — [19], [22], [26] — [33]. Типові рівні легування для кристала становлять порядку 1 ат. %, для стекол 3 ваг. %. На рис. 7.9 зображена спрощена схема енергетичних рівнів іонів неодиму в кристалі YAG.

Ці рівні обумовлені переходами трьох електронів 4/ - оболонки, що визначає велику кількість мультипле-тних станів, складний спектр поглинання й люмінесценції неодимових середовищ. Унаслідок екранування цих станів 5s-і 5p- оболонками положення рівнів і характер спектрів погли­нання і випромінювання слабко залежать від типу матриці. Для всіх рідкісноземельних іонів характерна наявність вузьких ліній люмінесценції при переходах між станами 4/- оболонки та інтенсивних смуг поглинання 4/ — 5d.

Інверсне заселення робочих станів у неодимових ОКГ від­бувається за чотирирівневою схемою, що забезпечує набага­то менший поріг накачування. Дві основні смуги накачування розташовані на довжинах хвиль 0,73 мкм — 0,8 мкм й зв'яза­ні швидкою (10-10 10-7с) безвипромінювальною релаксаці-
І9/2

Рисунок. 7.9 Спрощена схема активних центрів Nd3+ у

кристалі YAG

 

 

 

єю з метастабільним рівнєм 4F3/2, час життя якого залежно від концентрації іонів неодиму змінюється від 10-3 до 10-4 с. Це означає, що рівень 4F3/2 може бути обраний як верхній лазер­ний рівень. Цей рівень розщеплений на два проміжних рівні, а нижній лазерний рівень 4/ц/2 на шість. З різних можливих переходів з рівня 4F3/2 на нижчерозташований рівень найбільш інтенсивним є перехід 4F3/24 /п/2 з довжиною хвилі 1,06 мкм, який і використовується для одержання лазерної генерації. Хо­ча можна отримати генерацію і на 1,8 мкм, 1,3 мкм і 0,95 мкм. Майже всі ці лінії є однорідно розширеними з шириною близько 200 ГГц при кімнатній температурі.

Необхідно звернути увагу на те, що нижній лазерний рівень 4Лі/2 пов'язаний швидкою (~ 10-9) безвипромінювальною ре­лаксацією з основним станом 419/2. Відстань між цими рівнями досить велика (більш ніж 1kT). Звідси випливає, що теплова рівновага між цими двома рівнями встановлюється дуже швид­ко, й згідно зі статистикою Больцмана рівень 4/ц/2 можна вва­жати завжди практично порожнім, і цей рівень заселеності збе­рігається навіть при дуже великих рівнях накачування.

Лазери на YAG : Nd3+ працюють як у безперервному,
так і в імпульсному режимі з великою частотою повторювано-
сті та середньою потужністю кілька сотень ватів. На переході
4F3/2----- 4/ц/2 у безперервному режимі генерації досягнута по-
тужність понад
300 Вт при ККД близько 2% багатомодово-
му
до кВт). У режимі модульованої добротності максималь-
на вихідна потужність
YAG лазера досягає 50 МВт. Для підви-
щення ефективності накачування полем активатора в криста-
лічну решітку матриці вводять іони-сенсибілізатори із
широ-
кими
смугами поглинання, розміщеними у спектральній обла-
сті випромінювання джерел накачування. Значно розширюючи
спектр поглинання енергії накачування, сенсибілізатори пере-
дають поглинуту енергію активаторам. Унаслідок цього грани-
чний рівень накачування зменшується, а інтенсивність
когерен-
тного
випромінювання зростає. У системі на Nd3+ такими іона-
ми є іони
Cr3+. В імпульсному режимі роботи YAG лазера сен-
сибілізатори не використовуються, тому що час передачі збу-
дження від
Cr3+ до Nd3+ перевищує тривалість типового рівня
накачування.

У стеклах з неодимом рівні енергії в основному розташову­ються, як і в кристалі YAG, тому й найбільш інтенсивний лазер­ний перехід має довжину хвилі А = 1,06 мкм. Однак у склі че­рез неоднорідне розширення, обумовлене локальними неодно-рідностями кристалічного поля скляної матриці, лінії лазерних переходів є набагато ширшими до 20 нм. Тому лазери на нео-димовому склі доцільно використовувати в режимі модульова­ної добротності, оскільки запаси енергії можуть бути приблизно у 80 разів більшими, ніж в YAG : Nd3+. У режимі модульо­ваної добротності імпульсні потужності можуть досягати 1014 Вт при наносекундній тривалості імпульсів. У режимі синхро­нізації мод можливе одержання імпульсів тривалістю не менше 10-14 с.

Неодимові лазери знайшли широке застосування в різних галузях науки, техніки та медицині завдяки високим потужно­стям випромінювання і спектральній характеристиці.

 

 

7.3.3.   Мікрочипові твердотільні лазери

Загальна тенденція мініатюризації електронних та електронно-оптичних компонентів висуває такі самі вимо­ги і до твердотільних лазерів. Одночасно зберігаються вимоги і до якісних характеристик випромінювання. Завдяки швид­кому прогресу в технологіях отримання напівпровідникових гетероструктур цей сегмент майже повністю зайнятий на­півпровідниковими лазерами. Однак згідно з вимогами до якості випромінювання вони мають низку невирішених питань: багатомодовість, великий кут розходження, асиметрія пучка, сильна залежність частоти від температури переходу, неза­довільні часові характеристики зі стабільності та проблеми створення надкоротких імпульсів [72]— [76].

Задовольнити майже всі перелічені вимоги в класі мініа­тюрних лазерів здатні компактні твердотільні лазери з нака­чуванням напівпровідниковими лазерами [75]. Вони мають ха­рактерні об'єми робочої речовини порядку 1 мм3 і є перетво­рювачами неякісного випромінювання напівпровідника в одно-частотне, лінійнополяризоване одномодове випромінювання з близьким до дифракційно обмеженого гаусового розподілу пу­чка. Можуть працювати як у безперервному, так і в імпульсно­му режимі. Мають характерні розміри активного шару пласти­ни за товщиною від десятих до одиниць міліметра, а за загаль­ними габаритами від 1 до 10 мм. Випромінювання накачуван­ня активаторами високої концентрації ефективно поглинається вже на глибині 100 — 200 мкм. Концентрація активноїречовини,як правило, іонів Nd3+ від 1 до 5 ат. %, що становить прибли­зно 1021 см-3 і в сотні разів перевищує концентрацію Nd3+ в YAG : Nd3+.

Матриці, що дозволяють вводити великі концентрації нео­диму: пентафосфат неодиму; тетрафосфат неодиму-калію; бо­рат неодиму-алюмінію; тетерафосфат літію неодиму; гадоліній-скандій-галієві гранати; літій-неодим-лантан-фосфатні стекла та інші. Характерні вихідні потужності мікролазерів від сотень міліватів до декількох ватів у безперервному режимі та деся­тки кіловатів в імпульсному, при його тривалості менше, ніж на-носекунди. Розходження світлового пучка менше 10 мрад ККД досягає 65%. Завдяки тому, що вони виготовляються з викори­станням методів групових технологій, подібних до тих, що вико­ристовуються для виготовлення напівпровідникових мікросхем, ці лазери отримали назву мікрочипових [72]— [76].

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка