Физические принципы работы лазера (оптического квантового генератора)
жүктеу/скачать 242,16 Kb.
|
Оптика Акмаржан
| Лазер на стекле с неодимом
Твёрдотельный лазер на стекле с неодимом работает по четырёхуровневой схеме. Активная среда в твёрдотельном лазере на стекле с неодимом представляет собой стекло с ионами неодима N d 'i+. Стекло представляет собой аморфное твёрдое вещество, у которого отсутствует дальний порядок, т. е. строгая периодичность в расположении атомов, молекул. Но в то же время у стекла имеет место согласованность в расположении соседних частиц, так называемый ближний порядок. Упорядоченность на расстояниях, сравнимых с межатомными расстояниями, характерна для ближнего порядка, а упорядоченность, повторяющаяся на больших расстояниях, характерна для дальнего порядка. В аморфных твёрдых веществах и жидкостях существует только ближний порядок. Атомы, молекулы на больших расстояниях расположены беспорядочно. В стекло вводят активные частицы ионы неодима N d 3+. Концентрация п ионов неодима может достигать значении п ~ 10 el см . Технология изготовления стекла хорошо отработана. Из стекла можно получить детали любой формы и размеров от волоков (нитей) диаметром в единицы микрон до дисков диаметром порядка метров. Активный элемент лазера на стекле с неодимом может иметь разную форму и размеры, например вид стержней длиной до 2 метров или пластин размерами ~ 10 см. Лёгкая обработка стекла позволила создать тонкоплёночные усилители на стекле с неодимом и волоконные лазеры, в которых активная среда имеет протяжённость несколько десятков метров. Уровни энергии ионов неодима N d 3+ в разных твёрдых веществах сохраняют свою индивидуальность. Структура энергетических уровней иона неодима N d 3+ в стекле почти такая же, как и в кристалле. Ширина полос энергии у стекла с неодимом больше, чем у кристалла рубина, что позволяет получить большие значения коэффициента полезного действия. Лазеры на стекле с неодимом генерируют излучение в ближней инфракрасной области с длиной волны Я ~1,06 мкм. Лазеры на стекле с неодимом имеют свою особенность. Время жизни ионов неодима N d 3+ на верхнем метастабильном рабочем уровне энергии сильно зависит от состава стекла и концентрации ионов N d 3+. Оно меняется в пределах от 10 ~ 4 с до 10 3 с. Силикатные стёкла имеют наибольшее время жизни ионов N d3+ в метастабильном состоянии. Стекло обладает высокой оптической однородностью. Поэтому расходимость излучения лазеров на стекле с неодимом много меньше, чем у рубиновых лазеров. В стекло можно вводить большое число примесных ионов и изготавливать из него активные элементы больших размеров. Всё это позволяет получать большие мощности излучения лазеров (до 10 13 Вт). Недостатком стекла с неодимом является низкая теплопроводность и малая термостойкость. Поэтому лазеры на стекле с неодимом могут работать только в импульсном режиме при небольшой частоте следования импульсов. Например, кристалл рубина, имеющий большую прочность, чем стекло, выдерживает мощность порядка (3 - 4) ? 10 3 МВт на 1 см 3 поперечного сечения при длительности импульса ~ 10 ' 8 - 10 ' 9 с, а стекло с неодимом - (1 - 1,5) 10 3 МВт на 1 см 3. Лазеры на стекле с неодимом используют для получения импульсов высокой энергии в термоядерных исследованиях, диагностики плазмы и др. В настоящее время известно более 250 диэлектрических кристаллов с примесями, которые можно использовать в качестве активной среды у лазеров, например, иттриево - алюминиевый гранат, активированный ионами неодима (ИАГ — N d 3+). В процессе выращивания бесцветного прозрачного кристалла (ИАГ) в качестве примеси вводят ионы неодима N d 3+. Современные технологии позволяют изготавливать кристаллические элементы ИАГ - N d 3+ большой длины и диаметра. Они имеют высокие оптические свойства, большую твёрдость и высокую теплопроводность. Лазеры с кристаллами ИАГ - N d 3+ работают по четырёхуровневой схеме и имеют большую мощность ~ 10 8 - 10 9 Вт, коэффициент полезного действия (к. п. д.) равен ~1 - 3,5 %. Такие лазеры применяют в промышленности, например, при сварке, резке, сверлении металлов, в научных целях. В твердотельных лазерах в качестве активной среды используют кристаллы флюорита кальция (Са F2), в которые вводят ионы редкоземельных элементов - неодима N d 'i+, диспрозия Ду 'i+, самария Sm 3+ и др. Лазеры с такой активной средой работают по четырёхуровневой схеме и генерируют излучение с длинами волн Я в инфракрасной области спектра. Характерной особенностью твердотельных лазеров является возможность создания высокой концентрации активных частиц (ионов), что позволяет получать большие мощности излучения при малых объёмах активных сред. Для примера рассмотрим ещё лазер на флюорите кальция с примесью ионов диспрозия. Инверсия населённостей в активной среде возникает между рабочими уровнями энергии W j и W ?. Уровень энергии W 2 расположен достаточно высоко над основным уровнем энергии W j. В этом случае нет необходимости перевода на уровень энергии W з больше половины ионов диспрозия с уровня энергии W /. Поэтому нужна небольшая мощность источника накачки (15 - 20 Вт). Непрерывная накачка даёт возможность получить непрерывный режим генерации лазерного излучения с длиной волны Я = 2, 36 мкм. жүктеу/скачать 242,16 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|