Твердотельные лазеры. Принципиальные особенности твердотельных ОКГ. Высокий коэффициент усиления

спонтанного излучения характерна ширина полосы  в несколько ангстрем (кристаллы) или в несколько десятков ангстрем (стекла)

Для твердотельных ОКГ характерна оптическая накачка. Специально подобранный спектральный состав излучения внешнего источника приводит к преимущественному  заселению верхнего рабочего состояния и возникновению инверсии.

Активная среда твердотельных ОКГ.

Активный элемент твердотельных лазеров выполняется в виде цилиндрических либо прямоугольных стержней рис.3.31. Торцы стержней как правило полируются, в некоторых случаях для уменьшения потерь делаются скосы под углом Брюстера, для того, чтобы выполнялось полное внутреннее отражение

                                  j£ 2arccos(1/n), диаметр или поперечный размер варьируется от нескольких миллиметров до 2-3 см. Для ликвидации паразитных типов колебаний, распространяющихся от боковых поверхностей, они выполнены целиком или вблизи торцов шероховатыми.

Диэлектрический активный элемент состоит из 2-х компонент.

а) матрица  - не участвует непосредственно в физических процессах, приводящих к генерации.

б) и ионы активатора.

Материал матрицы должен удовлетворять следующим требованиям: допускать активировку элементами, на переходах которых, осуществляется генерация,  быть химически стойким и механически прочным,  выдерживать нагревы,  быть технологичным для массового производства,  допускать механическую обработку,  быть прозрачным для излучения накачки и генерации,   быть оптически однородным.

В качестве матрицы используется кристаллическая решетка щелочноземельных солей трех кислот, вольфрамовой (H₂WO₄), молибденовой  (H₂M₀O₄) и плавиковой   HF,  или применяются иттриевые гранаты  Y₃Me₅O₁₂. Me (алюминий, гадолиний, железо и др.)

Из других кристаллических материалов следует отметить корунд Al₂O₃  и аморфное вещество- стекло.

В качестве активаторов используются главным образом редкоземельные элементы, так же хром и уран. Эти элементы вводятся в матрицу в виде 2-х  и 3-х зарядных ионов, на уровнях которых, создается инверсия и осуществляется стимулированное излучение.

Оптимальное содержание активатора определяется следующими обстоятельствами: увеличение содержания активатора повышает общую концентрацию частиц,  что является благоприятным фактором, с другой стороны, приводит к интенсификации взаимодействий в среде и к уменьшению времени жизни рабочих состояний ионов активатора.

Ионы активатора должны иметь широкие полосы поглощения, соответствующие переходу накачки. Полосы поглощения должны спектрально согласоваться с излучением накачки, так как спектр излучения применяемых источников накачки значительно шире спектра поглощения рубина, и активной средой поглощается только часть энергии спектра. Энергия, поглощаемая активным веществом, составляет 7¸13%от доли энергии лампы. Спектр излучения лампы накачки показан на рис.3.32.

3.4.2. Устройство и работа ОКГ на рубине

Рассмотрим устройство импульсного рубинового лазера, блок-схема которого показана на рис.3.33.

Рубиновые стержни имеют длину 2¸500 мм, диаметром 1,2¸100 мм. Накачка осуществляется импульсной газоразрядной лампой с ксеноновым наполнением. Питается лампа от конденсатора С1 емкостью до нескольких тысяч микрофарад, который заряжается от источника напряжением в несколько тысяч вольт. При подаче на запускающий электрод импульса, лампа загорается и продолжает гореть, пока не израсходуется запасенная в конденсаторе С1 энергия.

 

Поджигающий импульс  напряжением в несколько десятков киловольт, снимают со вторичной обмотки повышающего трансформатора. Для полного использования световой энергии лампы накачки, применяют различные схемы фокусировки.  Например, лампу и рубиновый стержень размещают в фокусах эллиптического цилиндрического рефлектора рис.3.34,а, так, что большая часть излучаемой лампой энергии попадает на стержень. В некоторых случаях применяются эллипсоидные      рефлекторы рис 3.34,б.

Рассмотрим энергетическую диаграмму кристалла рубина Al₂O₃Cr³⁺, работающего в оптическом диапазоне (см. рис.3.35)

Накачка производится оптически за счет интенсивного облучения кристалла внешним источником. Ионы хрома поглощают кванты излучения с длинами волн примерно 0,56 мкм и переходят из основного состояния 1 на два широких уровня (3). За короткое время основная часть возбужденных частиц  переходит безызлучательно  на два близко расположенных  металлических уровня 2, отдавая избыток энергии кристаллической решетке. Значительно меньшая часть ионов возвращается в исходные состояния посредством перехода 3®1. На метастабильных уровнях 2 из-за большого времени жизни (~3×10