Быстрое развитие приборов было обусловлено принципиальными особенностями: концентрация активных частиц в твердом материале намного превышает концентрацию активных частиц в газовых средах (концентрация ионов Nd3t для YAG/Nd~10l9-102"cM'3)Поэтому твердые активные среды имеют более высокие коэффициенты усиления, что позволяет получать большие мощности генерации.
В лазере на иттрий-алюминиевом гранате этот механизм работает по четырехуровневой схеме. На схемах представлены оба этих механизма.
Левая схема - 3-х уровневая схема рубина. С помощью лампы - вспышки в полосе поглощения Е^ рубина создается большой запас возбужденных ионов Сг", которые быстро переходят на метастабильный уровень Ет, где время жизни возбужденных частиц по сравнению с другими уровнями ( Ез)велико. Различие достигает нескольких порядков. Если мощность накачки достаточна, между уровнями Е2 и Е) возникает инверсия населенности возбужденных ионов Cr3+ (NE;>>NEi).npH наличии резонатора , обеспечивающего положительную обратную связь . на переходе Е;>Е| , л.=0,69мкм , возникает генерация .
Недостаток этой схемы (т.е. и рубина . как лазерной среды) состоит в том .что для создания инверсной населенности должно быть переведено из основного состояния на метастабильный уровень (возбужденный) более 50% ионов . А каждый ион отдает большую часть энергии накачки (до 80%) на нагрев кристаллической решетки . при безизлучательных переходах Ej -> E2 . Поэтому для кристалла рубина большие уровни накачки .
В отличие от рубина лазер на иттрий-алюминиевом гранате с примесью ионов 3-х-валентного неодима (лазер на стекле с неодимом и еще ряд подобных) работает по 4-х-уровневой схеме (правая схема).Уровень Е; отстоит достаточно далеко от основного уровня . его населенность мала.Инверсная населенность ионов неодима между >ровнями 113 и Е; достигается при относительно низких уровнях накачки, что в резонаторе лазера обеспечивает получение генерации на основной длине волны 1,064
В твердотельных лазерах при работе в свободном режиме генерации, т.е. в режиме, когда на излучение лазера нет никакого воздействия, выходная мощность его меняется хаотически за время излучения . Это препятствует практическому применению таких лазеров, т.к. в большинстве применений требуется стабильное контролируемое излучение . Это потребовало разработку методов и создание устройств по управлению мощностью твердотельных лазеров. Для этих целей был разработан метод управления добротностью резонатора лазера.Принцип действия генератора с управляемой добротностью основан на создании большой перенаселенности возбужденных квантовых частиц на верхнем уровне. Накачка активной среды (кристалла) лазера происходит при больших потерях в усилении мод резонатора, что достигается при перекрытии зеркал резонатора на очень короткое время. За это время накачка обеспечивает полную возможную заселенность верхнего уровня лазера, с которого происходит рабочий переход. В этот момент потери в резонаторе уменьшаются до минимального значения - резонатор открывается. Возбужденные квантовые частицы (ионы неодима) переходят на нижний уровень и излучают мощный короткий импульс. Получаемый импульс из-за огромной пиковой мощности, которай может достигать единиц гигаватт, называется " гигантским импульсом " , а метод его получения - "модуляцией добротности резонатора". Устройства, позволяющие это осуществлять, называются "затворами".
В нашем случае для получения гигантского импульса используется пассивный затвор из кристалла Li/F(тёмно коричневго цвета) . Затвор: матрица кристалла из LiF в которой в качестве примеси, создающей так называемые "центры окраски", выступает отрицательно заряженная молекула F. Действие такого пассивного затвора основано на том. что при малых уровнях накачки лазерного перехода, резонатор остается закрытым. При достижении порога накачки, близкого к оптимальному, когда верхний уровень в кристалле максимально заполнен возбужденными частицами, происходит просветление кристалла затвора. Его поглощение насыщается. В поглощении излучения лазера участвуют центры окраски, которые при насыщении поглощения все распадаются. Кристалл LiF/F просветляется. Восстановление центров окраски, т.е. и поглощательной способности кристалла, восстанавливается за очень короткое время ~ 10'13-10 ис. В момент просветленности с затвора происходит высвечивание всей накопленной на лазерном уровне энергии за очень короткое время. Осуществляется генерация гигантского импульса. В следующее мгновение затвор закрывается. Происходит восстановление поглощения кристаллом затвора. Цикл повторяется Как правило, генерируемый импульс имеет крутой передний фронт и затянутый задний фронт.
Здесь t1- время соответствующее порогу генерации , t2 время максимального значения гигантского импульса , t3- время окончания импульса.
Ширина ГИ на половине максимальной высоты может достигать единиц наносекунд (~ 10*9с) . Кроме формирования ГИ пассивные затворы осуществляют также селекцию типовых колебаний, существенно подавляя поперечные моды.
Энергию и мощность ГИ связывает соотношение : Ен[Дж] = Ри[Вт]*Т[с]
Здесь Е„ - энергия импульса, Р„- мощность импульса, t - длительность импульса.
Длительность импульса может быть рассчитана по формуле:
.где п,- показатель преломления оптического элемента в резонаторе. 1,-длина элемснта(см),10-длина активного кристалла(см),С-скорость света(см/с).Сп-ненасышешюе усиление в активном кристалле(см"'),
£ Pmcc-lr все пассивные потери элементов в ре зонаторе (поглощение, рассеяние) в усилительном кристалле, зеркалах и в пассивном затворе Xп-1 - оптическая разность хода.
Для вычислений приведем численные значения величин: п = 1.8; атлшп = 1.6; L<^n.irr-.) = 6.5 см; l.iam = 2.0 см, Go = 0,2 см ; р1ИСС. = 0,08 см1 - в усилительном кристалле и зеркалах;Р"1НСС =ЛШ смi ' - в пассивном затворе; Ц^ = 15 см - длина резонатора; С = 3-108 м/с - скорость света в воздухе!)
1.3
Получение второй гармоники. Нелинейная оптика.
Для получения 2* гармоники излучения лазера на иттрий-алюминиевом гранате (химический состав Y3AUO1;), на пути распространения луча , необходимо установить кристалл с нелинйными свойствами . С
одним из таких кристаллов мы познакомились-это кристалл LiF/F; , который использовался в резонаторе лазера для получения ГИ. Под воздействием огромного светового поля в резонаторе лазера кристалл просветлялся на очень короткое время, а затем возвращался в первоначальное состояние. Таким образом, наблюдалось изменение характеристик кристалла, но обратимым образом.
Световые поля лазерных источников достигают значений электрической напряженности Е~(1() -10*) В/см, что сравнимо с напряженностями электрических полей в атомах и молекулах вещества Е~(108-1010) В/см . Это и приводит к изменению характеристик вещества под действием лазерных источников света.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.