Лазерная технология 10

лазеров.
Среди множества кристаллов с различными примесями наиболее широкое применение нашли Al2O3:Cr3+ (рубин) и Y3Al5O12:Nd3+(иттрий-алюминиевый гранат - YAG). Прочие лазерные кристаллы по разным причинам применяют гораздо реже, в лабораторной лазерной технике. Промышленность выпускает также лазеры на основе различных стекол с Nd3+ (для технологических лазеров) и стекловолокон с Er3+, Yb3+ (для волоконных лазеров).

или просто сапфир) Al2O3 с замещением части ионов Al3+ на Cr3+. Нелегированный корунд - кристалл, по твердости уступающий только алмазу, с заметным двулучепреломлением (показатель преломления для обыкновенной волны 1.76). Теплоповодность его при комнатной температуре на порядок хуже, чем у металлов, а при снижении температуры теплопроводность растет, достигая максимума вблизи температуры жидкого азота, где она становится лучше, чем у меди.
Оптимальной принято считать концентрацию ионов хрома около 0,05% (по массе). Повышение концентрации хрома, во‑первых, снижает однородность накачки за счет более сильного светопоглощения. Во‑вторых, при высокой концентрации легирующих ионов их уровни энергии испытывают уширения и сдвиги за счет взаимодействий между близко расположенными ионами. Чисто кулоновское взаимодействие дает сдвиг и некоторое неоднородное уширение. Обменное взаимодействие из‑за перекрытия волновых функций локализованных состояний ионов превращает уровень энергии в квазинепрерывную полосу (примесную зону), внутри которой облегчены пространственная миграция энергии возбуждения и релаксационные процессы. Результатом обменного взаимодействия будет дополнительное однородное уширение. Изредка используют рубины с содержанием хрома до 1%. В этих случаях нужна очень мощная накачка, но и энергия излучения может быть гораздо большей.

простая трехуровневая схема. Излучение накачки поглощается на переходах 4A2 ‑ 4F1,2 (сине-зеленая и фиолетовая полосы поглощения). Время жизни 4F‑состояний мало (10-7 ..10-8 с); его определяют безызлучательные переходы в метастабильное состояние 2E, расщепленное на два близких (29 см‑1) подуровня, 2A и Е. Их заселенности при комнатной температуре практически одинаковы (kT ≈ 200 см-1). Переходы из этих долгоживущих состояний ( 3 мс ) в основное и способны дать лазерную генерацию на линиях R1 (693,4 нм) и R2 (692,9 нм). Указанные длины волн лазерных переходов относятся к комнатной температуре; при понижении температуры кристалла они уменьшаются под влиянием решетки.

мощности накачки:
порог инверсии - мощность, необходимая для уменьшение в два раза заселенности основного состояния; при этом заселенности нижнего и верхнего рабочих уровней лазера будут равными;
порог генерации - мощность, необходимая для полной компенсации потерь излучения в лазере усилением активной среды.
Еще одно важное свойство трехуровневой активной среды - поглощение на частоте самого лазерного излучения в пассивных (не освещенных интенсивным излучением накачки) участках рабочего вещества. Наличие таких пассивных областей из-за неудачной конструкции ухудшает рабочие характеристики рубинового лазера, в первую очередь снижая энергию и мощность излучения, а также влияет на динамику его излучения (зависимость мощности от времени, характер самопроизвольных пульсаций излучения и т.п.).
Типовой режим работы лазера на рубине - импульсный. Так как время жизни верхнего лазерного уровня порядка миллисекунды, то имеет смысл использовать световые импульсы накачки длительностью от сотен микросекунд до единиц миллисекунд. Для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы с ксеноном или криптоном (100 Торр), дающие практически белый свет с существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы хрома имеют сильные полосы поглощения.

в) – в режимах сглаживания г) – в квазистационарном режиме.

а) б)

в) г)

- Поперечный разрез излучателя рубинового лазера

рис. 1.1, обозначения уровней получены из теоретико- 
группового анализа состояний ионов в кристалле

накачки, 3 — кристалл Nd:YAG, 4 — отражатель, 5 — заслонка, 6 — выходное зеркало, 7 — модулятор света, 8 — фокусирующая оптическая система

оптической накачки, 3 - кристалл Nd:YAG, 4 - корпус, 5 - заслонка, 6 - выходное зеркало, 7 - модулятор света, 8 - фокусирующая оптическая система

металлом, диаметр 6–8 мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное покрытие; 5 — лазерные диоды оптической накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор света; 10 — фокусирующая оптическая система