Министерство науки и образования Российской Федерации
Кафедра лазерных систем
Лабораторная работа № 2
“Твердотельный лазер на кристалле
иттрий-алюминиевого граната YAG/Nd”
Факультет: ФТФ
Группа:
Студенты:
Преподаватель:
Дата:
Новосибирск 2005
Цель работы: Знакомство с устройством и работой лазера. Получение гигантских импульсов (ГИ) на длине волны 1.064 мкм. Получение 2-ой гармоники 0.532 мкм в нелинейном кристалле. Пробой в воздухе. Измерение энергии ГИ. Оценка расходимости пучка.
1.1 Трех и четырехуровневые схемы накачки. Уровни энергии лазера.
Быстрое развитие лазеров 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"см'3)Поэтому твердые активные среды имеют более высокие коэффициенты усиления, что позволяет получать большие мощности генерации.
В твердотельных лазерах используются трех и четырехуровневые системы энергетических уровней (Рис. 1.1). В трехуровневой системе излучение оптической накачки переводит квантовые частицы в широкую полосу поглощения Е3 , затем атомы быстро переходят на метастабильный уровень Е2 . Если мощность накачки достаточна, то между основным уровнем Е1 и уровнем Е2 возникает инверсия населенностей. Генерация вынужденного излучения происходит с метастабильного уровня на основной .По трехуровневой схеме работает лазер на рубине. Недостаток его состоит в том, что для создания инверсии населенностей должно быть переведено из основного на метастабильный уровень более 50% квантовых частиц. Поэтому каждый из возбужденных атомов отдает большую часть энергии накачки(80…85%) на нагрев кристаллической решетки при безызлучательных переходах
Е3→Е2. Однако рубиновый лазер широко используется из-за того, что излучение его происходит в видимой части спектра, кристаллу при генерации импульсов с частотой порядка 0.03 Гц не требуется охлаждение, обеспечивается высокая выходная мощность в режиме генерации импульсов с модулированной добротностью.
Рассмотрим четырехуровневую модель состояний. Уровень Е1 – основной уровень, Е2 – конечный уровень, Е3 – метастабильный уровень, Е4 – совокупность всех конечных состояний для поглощения излучения накачки возбужденных квантовых частиц с основного уровня на уровень Е4.Время жизни частиц в возбужденном состоянии изменяется от 10-3 – 10-5 секунд.
Возбужденные частицы безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е3 .Время жизни на этом уровне приблизительно равно 10-3секунд. Рабочий переход между метастабильным и конечным уровнями соответствует длине волны 1.064мкм. При переходе Е4→Е3 создается инверсия населенностей ∆N. Конечный уровень расположен выше основного уровня примерно на 2000 см-1.
При термодинамическом равновесии населенность конечного уровня очень мала, так как конечный уровень не заполнен. Поэтому для создания инверсии населенностей в четырехуровневой активной среде требуется значительно меньше энергии возбуждения по сравнению с трехуровневой системой. Четырехуровневая схема , по которой работает лазер YAG/Nd3+ , более эффективна , так как инверсия населенностей между уровнями Е2 и Е4 может быть достигнута при относительно низких мощностях накачки.
Рис.1.1
1.2 Получение гигантского импульса. Пассивные затворы, принцип действия.
В ТЛ при работе в свободном режиме генерации (на излучение лазера нет никакого воздействия), выходная мощность меняется хаотически. Это препятствует практическому применению таких лазеров, т.к. в большинстве применений требуется стабильное контролируемое излучение . Это потребовало разработку методов и устройств по управлению мощностью ТЛ. 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, который может достигать единиц гигаватт, называется " гигантским импульсом ", а метод его получения - "модуляцией добротности резонатора". Устройства, позволяющие это осуществлять, называются "затворами".
В нашем случае используется пассивный затвор из кристалла Li/F.
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. 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.
Здесь t1- время, соответствующее порогу генерации , t2 время максимального значения гигантского импульса , t3- время окончания импульса.
1.3 Получение второй гармоники. Нелинейная оптика
Для получения 2-ой гармоники излучения лазера на иттрий-алюминиевом гранате необходимо на пути распространения луча установить кристалл с нелинейными свойствами – это кристалл LiF/F2 , который использовался в резонаторе лазера при получении ГИ. Нелинейность оптических свойств вещества связана с его электрической поляризацией. Оптические кристаллы являются диэлектриками . Под воздействием внешнего электрического поля диэлектрики поляризуются: происходит смещение электронных оболочек атомов относительно ядер вещества диэлектрика. В результате атомы приобретают электрический дипольный момент. Под воздействием мощного светового поля лазера поляризация диэлектрика зависит от поля нелинейным образом.
Если интенсивность света велика для того, чтобы проявлялась нелинейность электрической поляризации среды, то в такой среде можно наблюдать взаимодействие световых волн. В результате такого взаимодействия могут возникать новые световые волны.
В среде с нелинейной поляризацией распространяется волна частоты ν. Она вызывает в среде вторичную волну этой же частоты в соответствии с принципом Гюйгенса, то есть в нелинейной среде волна с частотой ν взаимодействует сама с собой. В соответствии с вышеизложенным возможно переизлучение волны ν в волну 2 ν , то есть мы получаем вторую гармонику волны.
Для эффективной передачи энергии от исходной световой волны частоты ν к переизлученной световой волне частоты 2ν необходимо, чтобы скорости обеих волн v(ν) и v(2ν) могли совпадать. Т.к. Vср=C/nср ,то показатели преломления для рассматриваемых световых волн nν и n2ν должны быть равны. Это условие выполняется при использовании особенности прохождения света через нелинейные кристаллы, обладающие двулучепреломлением. На рис. 1.3.1 представлено сечение нелинейного кристалла плоскостью , проходящей через оптическую ось ОА. Круг в сечении – это показатель преломления n0 для обыкновенной волны. Для необыкновенной волны показатель преломления ne (θ). Из рис.1.3.1 видно, что только в направлении оптической оси n0= ne
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.