Исследование твердотельного лазера, страница 2

                                                                    накачка       

               1                                                                                                       λ = 1060нм

                                Cr⁺³                                 Nd⁺³                                         4I_11/2

             0

Рис. 6.1. Энергетическая диаграмма ИАГ-лазера

Кванты переводят ионы Nd⁺³ и Cr⁺³ на несколько короткоживущих возбужденных уровней, которые быстро релаксируют на расположенный ниже метастабильный энергетический уровень 4F_3/2 неодима, выполняющий роль верхнего лазерного уровня. Радиационное время жизни ВЛУ  составляет 5^.10^–3 с. Большое время жизни верхнего уровня совместно с относительно высокой концентрацией Nd⁺³ позволяет ИАГ-лазеру генерировать мощное, в десятки-сотни ватт ИК-излучение.

В отличие от рубиновых лазеров, работающих по низкоэффективной трехуровневой схеме создания инверсии населенностей, гранатовые лазеры используют четырехуровневую схему, характеризуемую малой пороговой энергией накачки. Низкий порог генерации в сочетании с относительно высокой теплопроводностью кристалла ИАГ делает возможным работу гранатовых лазеров не только в импульсном, но и непрерывном режимах. Это выгодно отличает ИАГ-лазеры от всех других типов твердотельных лазеров. Благодаря своим уникальным свойствам гранатовые лазеры нашли широкое применение в технологии, медицине, технической физике, локации и т. п.

Режим свободной генерации одиночных или периодически повторяющихся импульсов возможен при использовании импульсных ксеноновых ламп накачки. При работе ИАГ-лазеров в непрерывном режиме оптическая накачка осуществляется, как правило, с помощью мощных дуговых криптоновых ламп постоянного тока. Излучение криптоновых ламп лучше согласуется со спектральными линиями поглощения активной среды на основе кристалла Y₃Al₅O₁₂:Nd⁺³:Cr⁺³. Использование криптоновых ламп в 1,5 – 2 раза повышает КПД оптической накачки по сравнению со случаем использования ксеноновых ламп, увеличивая его до 40%. Достаточно высокая (порядка 20%) эффективность накачки достигается в случае использования излучения Солнца, что можно реализовать при построении лазеров для космических аппаратов. С приемлемым для практики КПД возможно применение галогенных ламп накаливания и ртутных капиллярных ламп для накачки маломощных ИАГ-лазеров. Самая высокая эффективность накачки получается при облучении активной среды гранатового лазера излучением инжекционного полупроводникового лазера на основе арсенида галлия. Путем легирования длину волны генерации полупроводникового лазера удается точно подогнать под основную линию поглощения Y₃Al₅O₁₂:Nd⁺³:Cr⁺³. В результате резко повышается КПД системы накачки. Слабым местом этого метода являются относительно низкие уровни мощности генерации полупроводниковых лазеров, не превышающие на сегодняшний день единиц ватт.

При непрерывной накачке импульсный режим генерации ИАГ-лазера может быть реализован за счет модуляции добротности Q оптического резонатора. Модуляция добротности осуществляется посредством периодического открывания оптического затвора, помещенного в ОР. Благодаря этому процессы накопления возбужденных частиц на верхнем лазерном уровне и излучения индуцированных квантов при девозбуждении частиц разнесены во времени. Пока затвор закрыт (добротность ОР низка из-за больших потерь), плотность потока индуцированных квантов в АС мала. Следовательно, мала и вероятность индуцированных переходов с ВЛУ, а значит, на верхнем лазерном уровне происходит только накопление возбужденных частиц. Инверсия населенностей Δn рабочих уровней активной среды увеличивается до весьма большой величины (рис. 6.2). При открывании затвора скачкообразно уменьшаются потери и увеличивается добротность ОР. Начальный поток квантов, излучаемых накопленными активной средой частицами, оказывается значительным. В результате, вероятность индуцированных переходов сильно возрастает, эффективное время жизни возбужденных частиц  на ВЛУ