Laser • Velika ruska enciklopedija - elektronska verzija. Solid-state laser: princip rada, primjena

Solid-state laseri se suštinski razlikuju od gasnih lasera samo po prirodi pumpanja. Za stvaranje koherentnog zračenja koristi se optičko pumpanje.

Pumpanje se obično vrši kroz tekućinu koja hladi radnu tvar i vrši se korištenjem zračenja lampi na plin, LED dioda, lasera itd. Pumpanje lampe se najčešće koristi.

Obično se u dizajnu lasera u čvrstom stanju (slika 3.19) koristi aktivni (laserski) štap 1 i lampa pumpe 2 isti ("olovka") dizajn. Ogledala 3 I 4 optički rezonatori su odvojeni kontrolnim optičkim zatvaračem 5 . Za efikasno korištenje energije optičke pumpe, štap 1 i lampa 2 postavljen u zatvoreni reflektor 6 eliptični oblik. Istovremeno, elementi 1 I 2 postavljeni su u fokusima eliptičnog preseka reflektora, što omogućava koncentrisanje energije optičkog pumpanja u zapremini aktivnog medija. Reflektor 6 napunjen rashladnom tečnošću, koja se periodično pumpa kroz laser.

Aktivni medij je kristalni ili amorfni dielektrik koji ima centre luminescencije.

Slika. 3.19- solid state laser kontinuirano djelovanje (opcija dizajna)

Među laserskim materijalima najreprezentativnija grupa su jonski kristali sa nečistoćama. Kristali neorganskih jedinjenja fluorida (CaF 2 , LaF 3 , LiYF 4 ), oksidi (Al 2 O 3 ) i kompleksna jedinjenja (CaWO 4 , Y 3 Al 15 O 12 , Ca 5 (PO 4 ) 3 F) sadrže u kristalnoj rešetki jone aktivnih nečistoća, rijetke zemlje (samarij Sm 2+, disprozijum Dy 2+, tulij Tw 2+, Tw 3+, prazeodim Pr 3+, neodimijum Nd 3+, erbijum Er 3+ , holmijum Ho 3+), prelazni (hrom Cr 3+, nikl Ni 2+, kobalt Co 2+, vanadijum V 2+) elementi ili joni uranijuma U 3+. Koncentracija aktivnih nečistoća u kristalima kreće se od 0,05 do nekoliko postotaka (težinski). Laziranje se pobuđuje optičkim pumpanjem, a energija se uglavnom apsorbuje od strane iona nečistoća. Razmatrani laserski materijali odlikuju se visokom koncentracijom aktivnih čestica (10 19 -10 21 cm -3), vrlo malom širinom linije generiranja (0,001-0,1 nm) i malom kutnom divergencijom generiranog zračenja.

Nedostaci ovih materijala uključuju nizak (15%) faktor konverzije električna energija u energiju laserskog zračenja u sistemu "pumpa lampa-kristal", složenost izrade laserskih štapova velikih dimenzija i njihovu neophodnu optičku uniformnost.

Laserski kristali sa doziranim primesama uzgajaju se po pravilu usmerenom kristalizacijom taline u posebnim (kristalizacionim) uređajima koji obezbeđuju visoku stabilnost temperature taline i brzinu rasta kristala. Od izraslih kristala izrezuju se cilindrične šipke dužine do 250 mm i prečnika 2-20 mm. Krajevi šipki se bruse i poliraju. U većini slučajeva, šipke se izrađuju sa ravnim krajevima paralelnim jedan s drugim, sa tačnošću od 3-5", i strogo okomito na geometrijsku osu štapa. Moguće je koristiti krajeve sfernog ili drugog (ne- -standardna) konfiguracija.

Kao aktivni element u prvomindustrijski laser korišten ruby.

Rubin (od lat. ruberus - crveni i kasno lat. rubinus) je vrsta minerala korunda (Al 2 O 3), ali sadrži nečistoće Cr 3+ jona hroma (od stotinke do 2%, najčešće 0,05%), koji zamenjuju joni aluminijuma Al 3+ i (za razliku od bezbojnog korunda) određuju crvenu boju rubina. Talasna dužina oscilacija rubin lasera je λ = 694,3 nm.

INsadašnjost Solid-state laseri su kreirani uglavnom na bazi itrij-aluminij granatnih kristala uz dodatak neodimijum jona (Nd:YAG). Aktivni medij u njima je kristal Y 3 Al 5 O 12 , u kojem dijelu jona Y 3+ zamenjen jonimatrovalentni neodimijumNd 3+ .

Nd:YAG laseri mogu raditi u kontinuiranom i impulsnom modu. Pri radu u pulsnom režimu za pumpanje se koriste ksenonske lampe (pri snazi pumpe od ~10 W), dok se u kontinuiranom režimu koriste kriptonske lampe (pri snazi pumpe od ~100 W). Štapovi su iste veličine kao rubin laser.

Parametri izlazne snage:

u kontinuiranom višemodnom načinu rada - do 500 W;

u pulsnom režimu sa velikom stopom ponavljanja impulsa (50 Hz) - do 200 W;

u RDM režimu - do 50 MW.

CtP uređaji koriste lasere u rasponu od 1 W do nekoliko kW. Efikasnost se kreće od 3 (kada se koristi za pumpanje lampi) do 10% (kada se koristi za pumpanje dioda). Dubina polja u ovom slučaju doseže 60 mikrona. Koristite lasere sa talasnom dužinom od 1064 nm, kao i sadvostruka frekvencija (532 nm).

Za efikasno korištenje energije zračenja lampe pumpe koristi se zatvoreni reflektor, napunjen rashladnom tekućinom koja se pumpa kroz njen volumen. Jedan od najefikasnijih oblika reflektora je eliptični. Ovakvim oblikom reflektorske sekcije, lampa pumpe i aktivni element smješteni su u fokusima eliptičnog presjeka, što osigurava maksimalnu koncentraciju svjetlosne energije pumpe u debljini aktivnog elementa.

Optički obrađeni krajevi aktivnog elementa mogu se koristiti kao optička rezonatorska ogledala u solid-state laseru, ako je potrebno, opremljeni reflektirajućim premazima za dobijanje potrebnih vrijednosti koeficijenata refleksije i transmisije. Ukoliko je potrebno dobiti posebna svojstva laserskog zračenja (karakter polarizacije, sastav modova i sl.), ogledala optičkog rezonatora mogu biti i vanjska, što može biti i zbog tehnologije optičke obrade i presvlačenja.

Aktivni element i lampa pumpe čvrstog lasera obično zahtevaju tečno hlađenje u slučajevima kada izlazna snaga lasera nije dovoljno mala (na nivou miliwata). To dovodi do komplikacije dizajna, jer će energija pumpanja proći kroz rashladnu tekućinu, koju ova tekućina ne bi trebala primjetno apsorbirati.

Obično su solid-state laseri, pored izvora napajanja, opremljeni posebnim sistemom hlađenja sa pumpom i izmenjivačem toplote, što dovodi do smanjenja ukupne efikasnosti i zahteva dodatno preventivno održavanje tokom rada.

Verzija ND:YAG lasera sa pumpom od lampe prikazana je na sl. 3.20. ND:YAG laseri sa pumpom u čvrstom stanju bili su prvi laserski izvori korišćeni u CtP sistemima za fleksografiju. Danas se ugrađuju u mnoge sisteme, jer su provjereno pouzdano rješenje. Komponente takvih lasera razvijale su se nekoliko decenija, a danas se njihovom proizvodnjom bave stotine kompanija širom svijeta.

Slika 3.20. Verzija ND:YAG lasera sa pumpom od lampe: 1 - zadnji retrovizor; 2 - lampa pumpe; 3 - Nd:YAG kristal; 4 - reflektor; 5 - amortizer; 6 - izlazno ogledalo; 7 - svjetlosni modulator; 8 - fokusirajući optički sistem

Brojni nedostaci koji su svojstveni ovim laserima prisilili su, u nekim slučajevima, tražiti zamjenu za njih. Razvoj i unapređenje laserske tehnologije 90-ih godina. dovelo je do širenja lasera u čvrstom stanju, gdje je izvor svjetlosti lampe zamijenjen poluvodičkim laserima (diodama). Jedna od varijanti optičkog sistema takvih lasera prikazana je na sl. 3.21.

Slika 3.21 – Verzija Nd:YAG lasera sa poluprovodničkim pumpanjem: 1 – zadnji retrovizor; 2 – laserske diode optičke pumpe; 3 – Nd:YAG kristal; 4 - tijelo; 5 - amortizer; 6 - izlazno ogledalo, 7 - svjetlosni modulator; 8 - fokusirajući optički sistem

Poluvodički (diodni) laseri sa pumpom koriste laserske diode velike snage umjesto lampi, emitujući svjetlost tačno one talasne dužine (808 nm) koja je potrebna za generisanje laserskog zračenja iz Nd:YAG laserskog kristala. Glavna razlika između ovih lasera i lasera sa pumpom od lampe je znatno veća (za red veličine) efikasnost konverzije zračenja iz laserskih dioda velike snage, što omogućava izbjegavanje velike potrošnje energije i izbjegavanje intenzivnog vanjskog hlađenja vodom ( unutrašnji krug vodenog hlađenja aktivnog tijela lasera je još uvijek neophodan). Sve ovo čini sisteme za snimanje slike sa takvim laserima praktičnijim za upotrebu.

Snaga lasera sa poluvodičkom pumpom omogućava da se snop laserskog zračenja podijeli na nekoliko odvojeno kontroliranih snopova, bez narušavanja kvalitete zračenja. Kao rezultat, takvi laseri su nezamjenjivi za izgradnju višesmjernih optičkih sistema za snimanje koji se koriste za povećanje produktivnosti, budući da nekoliko zraka paralelno izlaže materijal.

U uređajima sa cijepanjem laserskog snopa (za razliku od sistema u kojima se koriste dva različita lasera), traka se ne pojavljuje na bitmapu tokom vremena. Poznato je da kod lasera nakon nekog vremena može doći do blagog odstupanja laserskog snopa, koje se izražava u malom (nekoliko mikrona) pomaku tačke snimanja na materijalu u proizvoljnom smjeru. Ali kada se dva zraka dobiju cijepanjem jednog snopa, ovaj pomak za oba mjesta snimanja se javlja sinhrono i ne dovodi do problema. Ako se koriste dva lasera, onda je moguće neslaganje tačaka, što dovodi do pojave traka na slici. Ovaj efekat se može eliminisati samo ponovnom kalibracijom, koju može izvesti samo posebno obučeno osoblje.

Solid state laseri imaju sljedeće dostojanti:

mala talasna dužina omogućava dobijanje tačke prečnika manjeg od 10 mikrona i značajno povećava rezoluciju snimanja;

minimalni gubici pri prolasku kroz optičke svjetlovode i lakoća modulacije pojednostavljuju dizajn laserskih sistema;

značajan broj poznatih materijala (posebno metala) ima visok koeficijent apsorpcije u području emitovanih talasnih dužina, što olakšava razvoj štamparskih ploča i povećava efikasnost laserskog pisanja.

U poređenju sa CO 2 laserima, oni rade na mnogo kraćoj talasnoj dužini, što omogućava fokusiranje zračenja lasera u čvrstom stanju na manju tačku. U poređenju sa argonskim laserima, oni daju 2-3 puta veću vrednost efikasnosti. Njihove prednosti su i kompaktnost, mobilnost itd.

U poređenju sa gasnim laserima, laseri za granate su skuplji i zahtevaju više pažnje na prevenciju tokom rada - neophodna je periodična zamena lampi za pumpanje, održavajući čistoću rashladnog sredstva kroz koje se vrši pumpanje. Osim toga, kod granatnog lasera postoje određene poteškoće u osiguravanju stabilnosti zračenja.

U CtP uređajima opremljenim solid-state laserima, kompanije nude fotopolimerizujuće i srebrne ploče, kao i ploče sa hibridnim i termički osjetljivim slojevima. U ovom slučaju, pod uticajem lasera talasne dužine od 1064 nm, termosenzitivni slojevi mogu biti podvrgnuti termalnoj destrukciji, ablaciji ili termičkom strukturiranju.

Solid state YAG laseri se koriste u CtP uređajima Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) i mnogim drugim. Međutim, u posljednje vrijeme sve više se koriste laserske diode umjesto lasera u čvrstom stanju.

U FNA se poluprovodnički laseri praktički ne koriste.

SOLID STATE LASER

- , u kojem aktivni medij su aktivni. dielektrik i staklo ili dielektrik. kristali sa svojim tačkastim defektima. Joni rijetkih zemnih elemenata ili joni grupe željeza obično služe kao aktivatori kristala i stakla. Sopstveni u kristalima nastaju pod uticajem jonizira. zračenjem ili aditivnim bojenjem. Energija nivoi aktivatora ili intrinzičnih defekata se koriste za stvaranje inverzne populacije (vidi Sl. kvantna elektronika).

Prema postojećoj tradiciji razlikuju se laseri na bazi poluvodičkih kristala posebna klasa(cm. poluprovodnički laser) zbog inherentnih specifičnosti pobude i formiranja inverzije populacije na prijelazima između dozvoljenih energetski. poluprovodničke zone (vidi teorija zona). Inverzija populacije u aktivnom mediju T. l. postignut optički. pumpanje-osvjetljenje aktivnog elementa (AE) spec. lampe, sunčevo zračenje, pirotehničko zračenje. uređaja ili zračenja drugih lasera, posebno poluvodičkih.

Generacija T. l. provodi se prema shemi od tri ili četiri nivoa (vidi. pumpanje). AE ovih lasera obično imaju oblik kružnog cilindra ili pravokutnog štapa. sekcije. Ponekad se koriste i AE složenijih konfiguracija. Naib. Dizajn T. l. je postao široko rasprostranjen, u kojem se cilindrični AE, zajedno sa lampom pumpe s plinskim pražnjenjem, postavlja u komoru iluminatora koja koncentriše lampe pumpe u AE. Zbog višestrukih refleksija zračenja pumpe iz unutrašnjosti. površina kamere-iluminatora je potpunija u AE. Iluminatori se koriste u kojima jedna lampa pumpe radi na nekoliko AE ili, naprotiv, jedan AE pumpa više ili više lampi. Generacijski opseg talasnih dužina T. l. proteže se od UV do srednjeg IR. T. l. rade u impulsnom, kontinuiranom i kvazi-kontinuiranom režimu rada (vidi Laser). Postojeći T. l. proizvodnja u kontinuiranom načinu rada može doseći 1-3 kW pri sp. izlazna energija ~ 10 W iz 1 cm 3 aktivnog medija na ~ 3%. sri snaga od 10 3 W pri brzini ponavljanja impulsa do 100 Hz se ostvaruje u T. l. pulsno-periodični. akcije u režimu slobodnog generisanja sa trajanjem impulsa od 10 -3 10 -4 s.

T. l. Uspješno rade u režimu Q-switchinga rezonatora, što omogućava generiranje ogromnih impulsa, čije trajanje ovisi o brzini uključivanja zatvarača i svojstvima aktivnog medija. Uobičajene vrijednosti za trajanje takvih impulsa su (1 - 10). 10 -8 s. Njihova vršna snaga je ograničena optičkim. jačina aktivnih i pasivnih elemenata rezonatora, koja obično iznosi ~5 10 2 MW po 1 cm 2 površine. Volumetrijski optički laserski materijali se obično ispostavljaju višim. Q-prekidanje rezonatora se vrši i pasivno (saturacioni apsorberi) i aktivno (elektro- i akusto-optički modulatori). Ponekad se koristi i mehanički. modulatori, na primjer. rotirajuća prizma.

Veliki omjer širine kruga pojačanja T. l. a frekvencija intermodnih otkucaja (~ 10 3) omogućava vrlo jednostavno implementiranje moda zaključavanja i dobijanje ultrakratkih impulsa u trajanju od 10 -11 - 10 -13 s, ograničenih recipročnom širinom linije pojačanja. Baš kao i faktori kvaliteta, zaključavanje načina rada u T. l. provodi aktivno i pasivno. T. l. također može raditi u režimu pojačivača zračenja. Istovremeno, koeficijent linearni dobitak može dostići vrijednost od 0,5-0,7 cm -1.

Laserski efekat detektuje veliki broj dekomp. kristala i čaša (nekoliko stotina), ali zapravo operativni T. l., koji je smatrao praktičnim. primjena je mnogo manja. Među njima je laser od rubin kristala, prvi laser na svijetu koji je 1960. godine stvorio T. Maiman (SAD).

Rubin je kristal korunda Al 2 O 3 sa primjesom (0,05%) Cr 3+ jona, zamjenjujući u kristal-lič. rešetka Al jona. Rubinski laser radi prema trostepenoj shemi, u kojoj je nivo 1 glavni. stanje 4 ALI 2 , nivo 2 - traka 4 F 2 i 4 F 1 , nivo 3 - dublet 2 E. Rubinski laseri velike snage koriste okrugle šipke promjera. 2 cm i dužine. 20-30 cm Tipičan način rada je impulsni, implementirano je i Q-prekidanje, zaključavanje moda i pojačanje snage. Dužina generacije rubin lasera je 0,7 μm.

Naib. zajednički aktivator materijala za T. l. su Nd 3+ joni (vidi neodimijumski laser). Laseri na bazi silikatnih i fosfatnih stakla sa neodimijumom se široko koriste u nauci i tehnologiji (vidi Ref. laserske naočare) generišući zračenje u području od 1,05 μm. Main svrha lasera na bazi stakla je generiranje pojedinačnih impulsa velike snage. Staklene AE karakteriše visoka optička efikasnost. kvaliteta, može imati veliki volumen sa datim oblikom elementa. Laseri od fosfatnog stakla s neodimijumom generiraju najmoćnije generacijske impulse. Dakle, na objektu "NOVA" (SAD) ukupna zapremina AE je 2 10 6 cm 3 , dobijeni su impulsi sa energijom 4 10 4 J, trajanja ~10 -9 s, što odgovara snazi 4. 10 13 uto. U drugom (l0,53 µm) i trećem (l0,35 µm) harmonicima glavne frekvencije. prelaza sa istim trajanjem impulsa, energija je 2 10 4 J.

Naib. široko korišteni kristalni. matrica sa Nd 3+ je kristal itrijum-aluminijum granata (YAG-Nd 3+), to-ry u naib. stepen zadovoljava moderne. zahtjevi kvantne elektronike i njene primjene. Potrebna spektralno-luminiscentna svojstva ovog kristala uspješno su kombinovana sa njegovim visokim mehaničkim svojstvima. čvrstoća, tvrdoća, značajna toplotna provodljivost (0,13 W / cm K); YAG-Nd 3+ laseri rade u svim gore navedenim režimima. Na njima su dobijeni rekordni kapaciteti kontinuirane proizvodnje. Talasna generacija YAG-Nd 3+ lasera na bazi. neodimijski prijelaz l g = 1,064 μm. Tipične AE dimenzije su od 350 mm do 10120 mm.

Kristali itrijum aluminata (YAlO 3 -Nd) i litijum-itrijum fluorida (LiYF 4 - Nd 3+) takođe nalaze primenu. Kristali itrijuma aluminata su poželjniji u odnosu na kristale YAG-Nd 3+ za modulirajući rad. faktor kvaliteta, koji je povezan sa nižom vrijednošću poprečnog presjeka glavnog. generacije prijelaza i, posljedično, sa smanjenjem utjecaja superluminiscencije i mogućnosti akumulacije više energije na gornjem laserskom nivou.

Razlikovati. karakteristike kristala litijum-itrijum fluorida sa neodimijumom su negativne. magnituda i mali trbušnjaci. vrijednost b= dn/dT- temperaturni koeficijent indeks prelamanja n(b= - 4.3. 10 -6 K -1 za p-polarizaciju i b=-2,2 10 -6 K -1 za s-polarizaciju; za YAG kristal, na primjer, b = 7,3 10 -6 K -1). Ova okolnost značajno slabi termooptičke manifestacije. efekti, posebno efekat indukovane termo-optike. sočiva, što povećava prostorno zračenje lasera. Generirajuća talasna dužina lasera na bazi LiYF 4 -Nd 3+ kristala je pomerena u poređenju sa talasnom dužinom generisanja YAG-Nd 3+ lasera na stranu kratke talasne dužine (lg = 1,053 μm za s-polarizaciju i lg = 1,047 za p-polarizaciju) , što omogućava eff. rad takvog lasera sa pojačalom na bazi stakla. Efikasnost neodimijumskih lasera na bazi ovih kristala u pravilu ne prelazi 2-4% u slobodnom režimu rada i 2% u Q-switched modu.

Nove mogućnosti trovalentnih jona hroma kao aktivnih čestica TL. pojavio u kristalima aleksandrita (BeAl 2 O 4). Za razliku od kristala rubina, stvaranje iona Cr 3+ u aleksandritu se događa ne samo na prelaznoj liniji bez fonona 2 E- 4 ALI 2 , ali i na osciliranju elektrona. prelaz 4 F 2 - 4 A 2 . Istovremeno, T. l. radi prema šemi od četiri nivoa i omogućava glatko podešavanje talasne dužine generacije. Tipični opseg podešavanja: 730-803 nm.

Karakteristika aleksandritnog kristalnog lasera je poboljšanje energije. karakteristike sa zagrevanjem AE iznad sobne temperature, što je posledica povećanja vrednosti eff sa temperaturom. generacijska sekcija. tranzicija. Zagrevanje AE u ovom laseru takođe dovodi do proširenja opsega podešavanja talasne dužine generisanja na stranu duge talasne dužine. Aleksandrit-kristalni laser također radi u svim gore navedenim načinima rada, uključujući i režim sa visokim obrtajem. snage, čemu doprinosi visoka vrijednost ovog kristala (0,23 W/cm K).

Glatko podešavanje talasne dužine generacije obezbeđuje laser na kristalu korunda sa titanom (Al 2 O 3 - Ti 3+). Tipični opseg podešavanja: 700-1024 nm. Mali životni vek pobuđenog Ti 3+ (3 μs) na sobnoj temperaturi čini pumpanje lampe ovog lasera neefikasnim. Pumpanje Al 2 O 3 -Ti 3+ lasera se u pravilu vrši ili neprekidnim argonskim laserom ili impulsima drugog harmonika neodimijumskog lasera. U ovom slučaju, efikasnost transformacije zračenja laserskog pumpanja u generisanje titanijumovih jona može premašiti 20%.

Podešavanje talasne dužine generisanja u širokom spektralnom opsegu vrši se u laserima zasnovanim na centrima boja (vidi Sl. laseri centra u boji), koji takođe obično rade sa pumpanjem drugim laserom.

Za stvorenja. povećanje efikasnosti T. l. naveo realizaciju donatorskih sposobnosti Cr 3+ jona u odnosu na trovalentne jone rijetkih zemnih elemenata (vidi. senzibilizirana luminiscencija) u kristalima granata. Visok izomorfni kapacitet ovih kristala za jone retkih zemalja i jone grupe gvožđa omogućava uvođenje potrebnih koncentracija obe vrste čestica bez ugrožavanja optičkog. kvaliteta kristala (vidi izomorfizam). Energetske specifičnosti. Struktura Cr 3+ jona u kristalima granata omogućava potpun i brz prijenos energije iz njegovih elektronskih oscilacija. trake na vrhu laserski nivoi joni rijetkih zemnih elemenata.

Porodici granata koji sadrže krom, radeći na glavnom. prijelaz neodimijuma u području od 1,06 μm, prvenstveno kristala gadolinijum-skandij-galijum (GSGG), itrijum-skandij-galijum (IGG) i gadolinijum-skandij-aluminijum (GSAG) granata. Ovi kristali su dizajnirani za pulsni i impulsno periodični rad. U laseru na bazi HSHG-Cr 3+ -Nd 3+ kristala u slobodnom režimu rada u području pumpe od 1–3 J, postiže se efikasnost od 6%. Na ICGG-Cr 3+ -Nd 3+ kristalu pod pumpanjem 200 J aps. efikasnost dostiže 10% u režimu slobodne proizvodnje. ISGG- Cr 3+ -Nd 3+ -laser u Q-switched modu i brzini ponavljanja impulsa do 50 s -1 daje abs. efikasnost 6% pri energiji od 0,4 J, koja je ograničena optičkim. snaga AE kraja. Talasna dužina zračenja ovog lasera (1,058 μm) je u dobroj saglasnosti sa krugom pojačanja od fosfatnog stakla sa neodimijumom, što omogućava efikasno korišćenje ovog para u sistemu: master oscilator - pojačalo. Kristal GSAG-Cr 3+ -Nd 3+ ima spektralna i luminiscentna svojstva slična svojstvima HSHG-Cr 3+ -Nd 3+ i IGG-Cr 3+ -Nd 3+ kristala. U ovom slučaju, toplotna provodljivost ovog kristala (0,11 W/cm K) se približava toplotnoj provodljivosti YAG kristala.

Longwave eff. generacija T. l. sa pumpanjem lampe (na sobnoj temperaturi) 33,5 µm. Pri nižim energijama. U prazninama se ispostavlja da je vjerojatnost višefononskih neradijativnih prijelaza mnogo veća od zračenja, što uzrokuje male vrijednosti kvantnog prinosa luminiscencije i vijeka trajanja pobuđenog stanja. To je osigurano, na primjer, tranzicijom 4 I 11/2 4 I 13/2 jona erbija (Er 3+). Na kristalima YAG-Er 3+ i ICGG-Cr 3+ -Er 3+ dobijeno je generisanje zračenja Er 3+ jonima uz pumpanje lampe sa efikasnošću većom od 1%. U prvom slučaju, talasna dužina generisanja l g = 2,94 μm; u drugom l g = 2,79 µm. Implementiran je Q-switching mod sa brzinom ponavljanja impulsa do 100 s -1.

Razvoj poluvodičkih lasera učinio je obećavajućom njihovu upotrebu za pumpanje T. l. Poluprovodnički laseri (PL) na bazi monokristala galij arsenida promenom sastava omogućavaju dobijanje generisanja u području od 0,751 μm, što omogućava efikasno pobuđivanje generisanja na Nd 3+, Tm, Ho 3+, Er 3+ i Yb 3+ jona. Pumpanje PL zračenjem je blizu rezonantnog, što znači. stepen eliminiše problem indukovane toplote. distorzija u AE i čini relativno lakim postizanje izuzetno visoke usmjerenosti laserskog zraka. Dobivena je kontinuirana generacija na jonima Ho 3+ (l g 2,1 μm), Tm 3+ (l g 2,3 μm), Er 3+ (l g 2,9 μm), kao i na dekomp. tranzicije Nd 3+ jona. Prag laserskog zračenja u odnosu na snagu pumpe u nekim slučajevima iznosi nekoliko milivata. Tako, na primjer, prag generiranja na Ho 3+ jonima u YAG-Tm 3+ -Ho 3+ kristalu je 4 MW, a prag generiranja na glavnom. prelaz Nd 3+ jona u staklu ne prelazi 2 mW. Generacija drugog harmonika je dobijena na više kristala sa neodimijumom. Na osnovu U neodimijumskom spoju implementirani su Q-switching i mod-locking modovi. Ukupna efikasnost neodimijumskog cw lasera pumpanog PB zračenjem na talasnoj dužini generacije od 1,06 μm dostiže 20%.

T. l. pumpani PL kombinuje prednosti čvrstog i poluprovodničkog lasera. U stvari, T. l. je eff. Koncentrator PL zračenja u smislu spektra, vremena i prostora. Očekuje se brzi razvoj ove oblasti laserske konstrukcije.

Razvoj T. l., rad u visokoj usp. snage (podkilovatni i kilovatni rasponi), povezana je sa zamjenom cilindričnih AE pravokutnim, u kojima lasersko zračenje prolazi, više puta se odbijajući od bočnih površina AE. U ovom slučaju, heterogenost dekomp. priroda, izazvana pumpanjem, ispada da je kompenzovana i ima mali uticaj na kvalitet izlaznog snopa.

Prijave T. l. izuzetno raznolika. To su laserska tehnologija (zavarivanje, rezanje itd.), tehnologija elektronskih uređaja, medicina, laser, sistemi za praćenje sastava atmosfere, optički. obrada informacija, integrisana i, laserska spektroskopija, laserska i kontrolisana termonuklearna fuzija, i lasersko odvajanje izotopa, brzi, laserski žiroskopi, seizmografi i druge precizne fizičke. aparati.

Lit.: 1) Priručnik o laserima, prev. sa engleskog, ur. A. M. Prokhorova, tom 1, M., 1978, gl. 11 - 15; 2) Karlov N.V., Predavanja o kvantnoj elektronici, 2. izd., M., 1988; 3) A. M. Prokhorov, Nova generacija lasera u čvrstom stanju, UFN, 1986, v. 148, str. 7; 4) Prokhorov A. M., Shcherbakov I. A., Laseri na bazi kristala granata retkih zemalja sa hromom, Izv. 1341; 5) OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers. 7-10 februara 1994. u Salt Lake Cityju, UT, v. dvadeset. I. A. Shcherbakov. Tehnički prevoditeljski priručnik - optički kvantni generator, čiji je aktivni medij kristal ili staklo s primjesom aktivatora. U posebnu grupu izdvajaju se poluprovodnički laseri. Najčešći su laseri u čvrstom stanju na bazi kristala rubina (Al2O3 dopiranog… enciklopedijski rječnik

solid state laser- kietojo kūno lazeris statusas T sritis automatika atitikmenys: engl. solid state laser vok. Festkörperlaser, m; Laser mit Festkörpermedium, m rus. solid state laser, m pranc. laser à létat solide, m … Automatikos terminų žodynas

solid state laser- kietojo kūno lazeris statusas T sritis chemija apibrėžtis Lazeris, kurio aktyvioji terpė - kristalas arba stiklas. atitikmenys: engl. solid laser; solid state laser rus. solid state laser... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas

solid state laser- kietojo kūno lazeris statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. solid laser; solid state laser vok. Vierniveaulaser, m rus. solid state laser, m pranc. laser à l'état solide, m; laser solide, m … Fizikos terminų žodynas

Laser, u kojem je aktivni medij kristal. ili amorfna baza (matrica) koja sadrži aktivne ione (aktivator ione, na primjer, neodim, krom) na kojoj se provodi lasersko generiranje. Excited ext. izvor svetlosti... Veliki enciklopedijski politehnički rječnik

Optički kvantni generator čiji je aktivni medij kristal ili staklo s primjesom aktivatora. U posebnu grupu izdvajaju se poluprovodnički laseri. max. zajednički T. l. na kristalima rubina (A12O3 sa primesom Cr3+ jona), i ... ... Prirodna nauka. enciklopedijski rječnik

- (Diode pumped solid state laser, DPSS) vrsta čvrstog lasera koji koristi laserska dioda. DPSS laseri se odlikuju visokom efikasnošću i kompaktnošću u odnosu na gasne i druge ... ... Wikipedia

Laser u čvrstom stanju je laser koji aktivni medij su aktivirani dielektrični kristali i stakla ili dielektrični kristali s vlastitim točkastim defektima. Joni rijetkih zemnih elemenata ili joni grupe željeza obično služe kao aktivatori kristala i stakla. Intrinzični tačkasti defekti u kristalima nastaju pod uticajem jonizujućeg zračenja ili aditivnog bojenja. Energetski nivoi aktivatora ili intrinzičnih defekata koriste se za stvaranje inverzne populacije.

Laseri se široko koriste na rubinskom kristalu - aluminijum oksidu (Al 2 O 3), u kojem je oko 0,05% atoma aluminijuma zamenjeno jonima hroma Cr 3+, na itrijum aluminijumskom granatu (Y 3 Al 5 O 12), na staklima sa nečistoćom jona neodimija (Nd 3+), terbija (Tb 3+), iterbija (Yb 3+) itd. Stimuliranu emisiju različitih frekvencija proizvodi više od 250 kristala i oko 20 stakla.

Opseg talasnih dužina lasera u čvrstom stanju proteže se od UV do srednje IR regiona. rade u impulsnom, kontinuiranom i kvazi-kontinuiranom režimu rada.

Generiranje solid-state lasera provodi se prema shemi od tri ili četiri nivoa. Aktivni element ovih lasera je obično u obliku kružnog cilindra ili pravokutnog štapa. Ponekad se koristi i aktivni element složenijih konfiguracija. Najrasprostranjeniji dizajn lasera u čvrstom stanju, u kojem je cilindrični aktivni element, zajedno sa lampom pumpe sa gasnim pražnjenjem, smešten u iluminatorsku komoru, koja koncentriše zračenje lampe pumpe u aktivni element. Zbog višestrukih refleksija zračenja pumpe sa unutrašnje površine komore iluminatora, postiže se njegova potpunija apsorpcija u aktivni element. Iluminatori se koriste u kojima jedna lampa pumpe radi na nekoliko aktivnih elemenata ili, naprotiv, jedan aktivni element pumpa više ili više lampi.

Opseg talasnih dužina lasera u čvrstom stanju proteže se od UV do srednje IR regiona. Solid-state laseri rade u impulsnom, cw i kvazi-cw modu. Za postojeće solid-state lasere, proizvodna snaga u neprekidnom režimu može doseći 1-3 kW sa specifičnom izlaznom energijom od ~ 10 W po 1 cm 3 aktivnog medija sa efikasnošću od ~ 3%. Prosječna snaga 10 3 W pri brzini ponavljanja impulsa do 100 Hz se realizuje u repetitivno pulsirajućim solid-state laserima u slobodnom radu sa trajanjem impulsa od 10 -3 10 -4 s.

Solid-state laseri zauzimaju jedinstveno mjesto u razvoju lasera. Ovo su uređaji koji se lako održavaju i mogu generirati energiju velike snage.

LED diode, lampe i drugi laseri se mogu koristiti za lasersko pumpanje u čvrstom stanju. Solid-state laseri sa diodnom pumpom nazivaju se DPSS - solid-state s diodnom pumpom.

solid state laser- laser u kojem se supstanca u čvrstom stanju koristi kao aktivni medij (za razliku od plinova u plinskim laserima i tekućina u laserima na boji).

Vrste lasera u čvrstom stanju su laser sa vlaknima i poluprovodnički laser. Solid-state laseri također uključuju lasere u kojima se kao aktivni medij koriste različita stakla i kristali aktivirani elementima rijetkih zemalja. Prvi laser u čvrstom stanju bio je rubin emiter, koji je pumpala lampa sa gasnim pražnjenjem.

Prema postojećoj tradiciji, laseri na bazi poluvodičkih kristala svrstani su u posebnu klasu (vidi sl. poluprovodnički laser) zbog inherentnih specifičnosti pobude i formiranja inverzije populacije na prijelazima između dozvoljenih energetski. poluprovodničke zone (vidi teorija zona). Inverzija populacije u aktivnom mediju T. l. postignut optički. pumpanje-osvjetljenje aktivnog elementa (AE) spec. lampe, sunčevo zračenje, pirotehničko zračenje. uređaja ili zračenja drugih lasera, posebno poluvodičkih.

Generacija T. l. provodi se prema šemi od tri ili četiri nivoa . AE ovih lasera obično imaju oblik kružnog cilindra ili pravokutnog štapa. sekcije. Ponekad se koriste i AE složenijih konfiguracija. Naib. Široko je rasprostranjen dizajn T. l., u kojem se cilindrični AE, zajedno sa lampom pumpe s plinskim pražnjenjem, nalazi u komori iluminatora koja koncentriše zračenje lampe pumpe u AE. Zbog višestrukih refleksija zračenja pumpe iz unutrašnjosti. na površini osvjetljavajuće komore postiže se njena potpunija apsorpcija u AE. Iluminatori se koriste u kojima jedna lampa pumpe radi na nekoliko AE ili, naprotiv, jedan AE pumpa više ili više lampi. Generacijski opseg talasnih dužina T. l. proteže se od UV do srednjeg IR. T. l. rade u impulsnom, kontinuiranom i kvazi-kontinuiranom režimu rada . Postojeći T. l. proizvodna snaga u kontinuiranom načinu rada može doseći 1-3 kW pri sp. izlazna energija ~ 10 W iz 1 cm 3 aktivnog medija pri efikasnosti od ~ 3%. sri snaga od 10 3 W pri brzini ponavljanja impulsa do 100 Hz se ostvaruje u T. l. pulsno-periodični. akcije u režimu slobodnog generisanja sa trajanjem impulsa od 10 -3 10 -4 s.

T. l. uspješno rade u Q-switching modu rezonatora, što omogućava generiranje ogromnih impulsa čije trajanje i energija ovise o brzini zatvarača i svojstvima aktivnog medija. Uobičajene vrijednosti za trajanje takvih impulsa su (1 - 10). 10 -8 s. Njihova vršna snaga je ograničena optičkim. jačina aktivnih i pasivnih elemenata rezonatora, koja obično iznosi ~5 10 2 MW po 1 cm 2 površine. Volumetrijski optički jačina laserskih materijala je obično veća. Q-prekidanje rezonatora se vrši i pasivno (saturacioni apsorberi) i aktivno (elektro- i akusto-optički modulatori). Ponekad se koristi i mehanički. modulatori, na primjer. rotirajuća prizma.

Veliki omjer širine kruga pojačanja T. l. a frekvencija intermodnih otkucaja (~ 10 3) omogućava vrlo jednostavno implementiranje moda zaključavanja i dobijanje ultrakratkih impulsa u trajanju od 10 -11 - 10 -13 s, ograničenih recipročnom širinom linije pojačanja. Baš kao i Q-prekidanje, zaključavanje načina rada u T. l. provodi aktivno i pasivno. T. l. također može raditi u režimu pojačivača zračenja. Istovremeno, koeficijent linearni dobitak može dostići vrijednost od 0,5-0,7 cm -1.

Naib. zajednički aktivator materijala za T. l. su Nd 3+ joni (vidi neodimijumski laser). Laseri na bazi silikatnih i fosfatnih stakla sa neodimijumom se široko koriste u nauci i tehnologiji (vidi Ref. laserske naočare) generišući zračenje u području od 1,05 μm. Main Svrha lasera na bazi stakla je generiranje pojedinačnih impulsa velike snage. Staklene AE karakteriše visoka optička efikasnost. kvaliteta, može imati veliki volumen sa datim oblikom elementa. Laseri od fosfatnog stakla s neodimijumom generiraju najmoćnije generacijske impulse. Dakle, na objektu "NOVA" (SAD) ukupna zapremina AE je 2 10 6 cm 3 , dobijeni su impulsi sa energijom 4 10 4 J, trajanja ~10 -9 s, što odgovara snazi 4. 10 13 uto. U drugom (l0,53 µm) i trećem (l0,35 µm) harmonicima glavne frekvencije. prelaza sa istim trajanjem impulsa, energija je 2 10 4 J.

Razlikovati. karakteristike kristala litijum-itrijum fluorida sa neodimijumom su negativne. magnituda i mali trbušnjaci. vrijednost b= dn/dT- temperaturni koeficijent indeks prelamanja n(b= - 4.3. 10 -6 K -1 za p-polarizaciju i b=-2,2 10 -6 K -1 za s-polarizaciju; za YAG kristal, na primjer, b = 7,3 10 -6 K -1). Ova okolnost značajno slabi termooptičke manifestacije. efekti, posebno efekat indukovane termo-optike. sočiva, čime se povećava prostorna svjetlina laserskog zračenja. Generirajuća talasna dužina lasera na bazi LiYF 4 -Nd 3+ kristala je pomerena u poređenju sa talasnom dužinom generisanja YAG-Nd 3+ lasera na stranu kratke talasne dužine (lg = 1,053 μm za s-polarizaciju i lg = 1,047 za p-polarizaciju) , što omogućava eff. rad takvog lasera sa pojačalom na bazi stakla. Efikasnost neodimijumskih lasera na bazi ovih kristala u pravilu ne prelazi 2-4% u slobodnom režimu rada i 2% u Q-switched modu.

Glatko podešavanje talasne dužine generacije obezbeđuje laser na kristalu korunda sa titanom (Al 2 O 3 - Ti 3+). Tipični opseg podešavanja: 700-1024 nm. Malo vremena trajanja pobuđenog stanja Ti 3+ (3 μs) na sobnoj temperaturi čini pumpanje ovog lasera lampom neefikasnim. Pumpanje Al 2 O 3 -Ti 3+ lasera se u pravilu vrši ili neprekidnim argonskim laserom ili impulsima drugog harmonika neodimijumskog lasera. U ovom slučaju, efikasnost transformacije zračenja laserskog pumpanja u generisanje titanijumovih jona može premašiti 20%.

Podešavanje talasne dužine generacije u širokom spektralnom opsegu vrši se u laserima baziranim na centrima boja , koji takođe obično rade sa pumpanjem drugim laserom.

Za stvorenja. povećanje efikasnosti T. l. naveo realizaciju donorskih sposobnosti Cr 3+ jona u odnosu na trovalentne jone retkozemnih elemenata u kristalima granata. Visok izomorfni kapacitet ovih kristala za jone retkih zemalja i jone grupe gvožđa omogućava uvođenje potrebnih koncentracija obe vrste čestica bez ugrožavanja optičkog. kristalni kvalitet. Energetske specifičnosti. Struktura Cr 3+ jona u kristalima granata omogućava potpun i brz prijenos energije iz njegovih elektronskih oscilacija. trake na gornjim laserskim nivoima jona retkih zemalja.mm

smjernice za dizajn kursa

u disciplini "Optika i uređaji i uređaji"

za studente specijalnosti 071700 "Fizika i tehnologija optičkih komunikacija"

1. Klasifikacija poluprovodničkih lasera.

U julu 1960 Meiman je stvorio prvi laser na kristalu rubina, koji je označio početak nove klase kvantnih uređaja - generatora i pojačala u opsegu optičkih valnih dužina. U kratkom periodu predloženo je više od stotinu čvrstih aktivnih medija na bazi neorganskih materijala. Ovako brz razvoj lasera u čvrstom stanju je rezultat osnovnih karakteristika ovih uređaja. Koncentracija aktivnih čestica u čvrstom materijalu je mnogo veća od koncentracije čestica u plinovitom mediju. Stoga se čvrsti aktivni mediji odlikuju većim pojačanjem, što ga čini mogućim velike snage generacije. Zauzvrat, snaga zračenja ovisi o načinu rada lasera.

Laseri se klasifikuju prema tri glavne karakteristike: prema načinu rada, prema vrsti aktivne supstance i prema načinu pumpanja. Prema načinu rada, poluprovodnički laseri se dijele na generatore koji rade kontinuirano i rade u impulsnom režimu. Pulsni laseri u čvrstom stanju se dijele na lasere koji rade u slobodnom radu i u Q-switched modu.

Mnogi materijali se trenutno koriste kao aktivne supstance za lasere u čvrstom stanju. Po ovom osnovu, laseri u čvrstom stanju su podeljeni u četiri grupe, koje kao aktivnu supstancu sadrže ione prelaznih metala sa 3d omotačem u kristalima, ione retkih zemalja sa 4f školjkom u kristalima i staklima, ione aktinida sa 5f ljuskom u kristalima, i organski kompleksi rijetkih zemalja (kelati).

Za stvaranje inverzije populacije u aktivnoj supstanci lasera u čvrstom stanju, razne metode pumpanje. Trenutno se najviše koristi za ovu svrhu lampe na pražnjenje. Međutim, sijalice sa gasnim pražnjenjem imaju relativno nisku efikasnost pretvaranja električne energije u svetlost. U tom smislu razvijene su nove metode pumpanja. Prema tome, u zavisnosti od primenjenog metoda pumpanja, laseri u čvrstom stanju se klasifikuju na sledeći način: laseri sa optičkim pumpanjem; laseri koji koriste sistem za pumpanje poluvodičke diode; laseri pumpani metodom eksplodirajuće žice ili filma; laseri s kemijskim metodama pumpanja; laseri koji koriste optičko zračenje iz skupljenog plazma filamenta; laseri sa pumpnim sistemom koji koriste X-zrake za pobuđivanje fluorescencije u kristalnim aktivnim supstancama, itd.

2. Fizički procesi i glavne karakteristike.

Čvrste materije - aktivne supstance lasera u čvrstom stanju - su složeni makrosistemi koji se sastoje od jezgara i elektrona. Energija relativnog kretanja čestica koje čine atome čvrstih tijela može poprimiti strogo određene vrijednosti, koje se nazivaju energetski nivoi. Sistem energetskih nivoa čini energetski spektar atoma aktivne supstance. nivo sa minimalnom energijom je nivo tla, svi ostali su uzbuđeni. Broj atoma u 1 cm 3 supstance koji se nalaze na datom energetskom nivou naziva se populacija nivoa N m . Ako se atomu koji se nalazi na nivou zemlje da dodatna energija, on može napraviti nagli prijelaz u kvantnom sistemu sa jednog energetskog nivoa na drugi, tj. pređite na jedan od uzbuđenih nivoa. Naprotiv, pobuđeni atom može spontano ili inducirano da ode na niže nivoe, istovremeno emitujući kvantum svjetlosti. Frekvencija emitovanog ili apsorbovanog kvanta svjetlosti određena je Borovim postulatom

gdje je h=6,62491 10 -27 erg s Plankova konstanta;

, su smatrani energetski nivoi.

Spontani (spontani, bez ikakve veze sa vanjskim zračenjem) radijacijski procesi se javljaju posvuda i svuda. To je zračenje zagrijanih tijela, svjetlosni plinovi, električno pražnjenje itd. Za praktično indukovano (prisilno) zračenje moraju biti ispunjena tri osnovna uslova:

1. Potrebno je imati aktivnu supstancu sa populacijskom inverzijom, tj. od dva odabrana nivoa, gornji nivo je naseljeniji od donjeg. Populaciona inverzija dva nivoa:

Inverzija se postiže pumpanjem, čija je jedna od univerzalnih metoda optička pobuda čestica.

2. Aktivna supstanca se mora staviti u optički rezonator (sistem od dva paralelna ogledala) kako bi se izvršila pozitivna povratne informacije. Kao rezultat toga, dio emitirane energije, koja se širi unutar aktivne tvari, pojačava se zbog prisilne emisije fotona od strane sve više novih atoma uključenih u proces zračenja.

3. Dobitak koji daje aktivna supstanca mora biti veći od neke ukupne granične vrijednosti gubitaka u znoju rezonatora k, određene za svaku čvrstu supstancu. Generacija će biti moguća ako je ispunjen uslov samopobude:

gdje je G max maksimalni dobitak aktivne tvari po jedinici dužine;

L je dužina rezonatora, cm.

Solid-state laseri koriste sisteme energetskih nivoa na tri i četiri nivoa. U prvom sistemu (slika 1), zračenje optičke pumpe prenosi kvantne čestice u široki apsorpcioni opseg, zatim atomi brzo prelaze na metastabilni nivo 2. Ako je snaga pumpe dovoljna, dolazi do inverzije populacije između nivoa 1. i nivo 2. generacija se odvija od metastabilnog nivoa 2 do glavnog nivoa (ili do pomoćnog nivoa 2 u sistemu sa četiri nivoa). U opštem slučaju, promena u populacijama nivoa je posledica tri kvantna mehanizma: spontani prelazi na niže nivoe; izazvano emisijom i apsorpcijom; neradijativni prijelazi pobuđeni toplinskim procesima i interakcijama s vibracijama kristalne rešetke. Prema ovoj shemi radi rubin laser. Njegov nedostatak je u tome što da bi se stvorila populacijska inverzija, više od 50% kvantnih čestica mora biti prebačeno sa zemlje na metastabilni nivo. Dakle, svaki od pobuđenih atoma daje veliki dio (80..85%) energije pumpe zagrijavanju kristalne rešetke tokom neradijativnih prijelaza

Četvorostepeni sistem koji koriste mnogi laseri u čvrstom stanju (na staklu aktiviranom rijetkim zemljama, aktinidima, itd.) je efikasniji. Ako se nivo 4 nalazi dovoljno daleko od nivoa tla 1, tada će njegova populacija biti manja od populacije nivoa tla, a inverzija populacije između nivoa 2 i 4 može se postići pri relativno malim snagama pumpe.

Od nastanka rubin lasera, predloženo je mnogo lasera na bazi drugih materijala, ali rubin laser se danas široko koristi i koristit će se u budućnosti. Ovo se objašnjava sljedećim okolnostima: njegovo zračenje se javlja u vidljivom dijelu spektra, kristalu nije potrebno hlađenje za generiranje frekvencijskih impulsa, a velika izlazna snaga je osigurana u načinu generiranja impulsa s Q-prekidanjem. Rubinski laser može se grubo okarakterisati sa tri nivoa energije. Radni prelaz između nivoa 2 i 1 odgovara zračenju talasne dužine od 0,6943 µm.

Uz rubin lasere, široko se koriste laseri na bazi stakla, koji imaju niz takvih prednosti kao što su praktički neograničene veličine štapa (6-200 cm), jednostavnost izrade uzoraka bilo kojeg oblika, visoka optička uniformnost i lakoća mase. proizvodnja. Istovremeno, u poređenju sa ionskim kristalima, stakla imaju negativna svojstva. To su niska toplotna provodljivost i visok koeficijent termičkog širenja, što otežava razvoj impulsnih lasera sa velikom stopom ponavljanja. Trenutno su stvoreni laseri na bazi stakla aktiviranog neodimijumom, iterbijem, erbijem, holmijumom i drugim ionima.Najbolji je neodimijum laser. Dijagram nivoa energije neodimijum jona je prilično složen, ali se obično svodi na četiri nivoa. Nivo 1 je osnovno stanje, 2 je završni nivo, 3 je metastabilni nivo, 4 je ukupnost svih konačnih stanja pri apsorpciji zračenja pumpe, što dovodi do pobuđivanja kvantnih čestica sa nivoa 1 na nivo 4. Operativni prelaz (generacija) između nivoa 3 i 2 odgovara talasnoj dužini od 1,06 µm.

Najzanimljivijim po svojim mogućnostima trenutno se smatra itrijum-aluminijum granat (YAG) čvrsti laser dopiran neodimijumom. Ovo je sistem sa četiri nivoa. YAG dopiran jonom Nd 3+ je jedinstven materijal jer ima dobru toplotnu provodljivost, visoku tvrdoću i dobra optička svojstva. Međutim, YAG je skup i nije moguće uzgajati štapove duže od 12 cm. Komercijalni uzorci YAG lasera daju snagu proizvodnje do 250 W sa gustinom od 2·10 5 W/cm 2, efikasnošću od 2,1%. i odstupanje od oko 30 minuta. Radni prelaz ovog generatora leži u bliskom infracrvenom području na talasnoj dužini od 1,064 mikrona. Širina spektralne linije na temperaturi T=300K na ovoj talasnoj dužini je 180 GHz. Laser radi u višemodnom i jednomodnom modu, au monomodnom modu, snaga generiranja je smanjena za faktor tri. U pulsnom režimu, frekvencija slanja impulsa dostiže 10 8 - 10 9 Hz, sa vršnom snagom od 30-300 kW, i trajanjem impulsa od 30 ps. YAG laseri takođe generišu niz drugih talasa zračenja 0,94; 1.05…1.12; 1,3…1,4 µm.

Tabela 1. Glavne karakteristike aktivnih supstanci lasera u čvrstom stanju.

3. Spektralni sastav zračenja.

Emisioni spektar idealnog kvantnog generatora je beskonačno uska linija, čiji položaj na osi frekvencije zavisi od aktivne supstance koja se koristi u laseru. U stvarnom laseru u čvrstom stanju radi niz mehanizama koji dovode do takozvanog proširenja spektralne linije, kada je spektar emisije frekventni pojas. Jedan od glavnih razloga za širenje spektralne linije je taj što energetski nivoi atoma, čak iu idealnom slučaju, kada nema vanjskih utjecaja, imaju određenu konačnu širinu. Širina energetskog nivoa je regulisana principom nesigurnosti, koji kaže da bilo koji fizički sistem ne može biti u stanjima u kojima koordinate njegovog centra inercije i momenta istovremeno poprimaju sasvim određene, tačne vrijednosti. Ako životni vijek kvantne čestice na bilo kojem pobuđenom energetskom nivou ima vrijednost τ, tada je, prema principu nesigurnosti, širina ovog nivoa

gdje je Plankova konstanta.

Dakle, širina energetskog nivoa zavisi od životnog veka čestice u datom energetskom stanju. Prisustvo energetskog proširenja dovodi do određene frekvencijske distribucije intenziteta emisije svjetlosti, koju karakterizira oblik emisione linije.

Jedna od najčešćih karakteristika spektralne linije je njena širina, definisana kao frekvencijski interval 2Δν blizu centra linije, na čijim se ivicama intenzitet zračenja smanjuje za polovinu u odnosu na centar. Širina linije, obrnuto proporcionalna životnom vijeku čestice u početnom stanju, naziva se prirodna ili Lorencijana širina:

U praksi, širina spektralnih linija značajno premašuje širinu prirodnih linija. U solid state laserima, važnost dobija proširenje spektralnih linija zbog interakcije između čestica. U najjednostavnijem slučaju, ova interakcija dovodi do smanjenja životnog vijeka čestica u pobuđenom stanju. Oblik spektralne linije opisan Lorentzovom jednačinom

istovremeno ostaje ista, međutim, zbog smanjenja životnog vijeka čestica širina spektralne linije se povećava. Takvo proširenje, u kojem oblik linije ostaje nepromijenjen, naziva se uniformno. Nehomogeno širenje spektralne linije, koje je posebno značajno za retke gasove, je takozvano Doplerovo proširenje. Zbog činjenice da se svi atomi kreću u različitim smjerovima s različitim brzinama υ, u spektru zračenja pojavljuje se skup frekvencija, određen Doplerovim pomakom frekvencije .

U uslovima termodinamičke ravnoteže, raspodela brzine čestica je podređena Maksvelovoj raspodeli. Uzimajući ovaj zakon u obzir, Doplerova poluširina spektralne linije

gdje je ν 0 rezonantna frekvencija spektralne linije zračenja, Hz;

J/K je Boltzmannova konstanta;

T je temperatura, K;

m je masa atoma ili molekula.

Međutim, Doplerovo širenje u čvrstim materijama je vrlo neznatno, budući da su ioni aktivatora kruto vezani za kristalnu rešetku i mogu se smatrati nepokretnima u prvoj aproksimaciji.

U čvrstim aktivnim medijima, jedan od glavnih razloga za širenje spektralne linije je nehomogenost kristala aktivnog medija, što dovodi do toga da se energetski nivoi atoma pomeraju, a veličina pomaka nivoa za atomi su različiti. To dovodi do činjenice da atomi emituju kvante različitih energija, što u velikoj mjeri utiče na širenje spektralne linije čvrste aktivne tvari. Jednako važan uzrok širenja su toplotne vibracije rešetke. Što je temperatura kristala viša, oscilacije su jače. Kao rezultat toga, joni se nalaze u naizmjeničnim poljima koja moduliraju položaj energetskih nivoa i na taj način proširuju spektralnu liniju. Vrijednost termičkog širenja određena je vezom između jona aktivatora i kristalne rešetke.

4. Energija, snaga i efikasnost.

Efikasnost i tehničko savršenstvo energetskih sistema i uređaja obično se vrednuju vrednostima izlazne energije, snage i efikasnosti. Ako se solid-state laseri procjenjuju po efikasnosti, bez uzimanja u obzir njihove jedinstvenosti fizička svojstva, tada će se činiti da su neefikasni sistemi (efikasnost najboljeg rubin lasera ne prelazi 1,5%). Za preliminarnu ocjenu energetskih karakteristika projektovanih lasera u čvrstom stanju može se koristiti postupak izračunavanja snage lasera koji rade u slobodnom režimu rada na temperaturi od 300 K uz usrednjavanje vrijednosti snage po pojedinačnim snopovima lasera. spektar zračenja. Energija impulsa stimulirane emisije s trajanjem impulsa τ i za laser sa aktivnom tvari zapremine jednaka je

Procjena snage generiranja trostrukog ili četverostepenog laserskog Pouta može se dobiti korištenjem ovisnosti

gdje je kvantna energija indukovanog zračenja generatora, J;

Kvantna energija pumpe, J;

Kvantni prinos luminescencije;

Parametar koji karakteriše udio svjetlosti koja pada iz reflektora na površinu kristala (efikasnost optičkog sistema lasera);

Faktor iskorišćenja zračenja lampe pumpe koja pada na površinu lasera;

Koeficijent konverzije električne energije u svjetlosnu energiju (efikasnost lampe pumpe);

Broj pragova;

Energija pumpe;

Energija pumpe praga (energija pumpe pri kojoj dolazi do stimulirane emisije);

Faktor koji uzima u obzir buku zračenja;

je faktor gubitka na ogledalima rezonatora;

Dužina rezonatora;

Koeficijenti refleksije rezonatorskih ogledala;

Koeficijent unutrašnjih (disipativnih) gubitaka u aktivnom mediju.

Maksimalni dobitak za prijelaz 2 1, podložan akumulaciji kvantnih čestica na nivou 2 aktivne tvari:

gdje je Ajnštajnov spektralni koeficijent;

Brzina svjetlosti, m/s;

Koncentracija aktivatora, 1/cm 2 ;

Odnos gubitka i maksimalnog dobitka.

Gubici energije pretvorene u laseru dijele se na gubitke koji se mogu smanjiti promjenom dizajna lasera i suštinski neizbježne gubitke povezane s fizičkom suštinom fenomena generiranja. Stoga je svrsishodno razmotriti ovisnost efikasnosti lasera o brojnim faktorima.

Efikasnost lasera u čvrstom stanju može se predstaviti kao odnos energije Eout indukovanog zračenja jednog impulsa i električne energije Ein koja dolazi iz mreže na ulaz pumpnog sistema:

ili, uzimajući u obzir zavisnost efikasnosti od efikasnosti upotrebe konstruktivnih elemenata

gdje je efikasnost napajanja ( električno kolo pumpanje);

Energija pohranjena u kondenzatorima za skladištenje.

Efikasnost električnog kruga pumpnog sistema koji koristi RC krugove u principu ne može biti veća od 0,5, a u stvarnim izvorima napajanja za bljeskalice, efikasnost doseže samo 0,3 ... 0,4.

Izlazna energija impulsne lampe pumpe

Zatim koeficijent konverzije električne energije dovedene u lampu pumpe u radijant

Vrijednost ovog koeficijenta kreće se od 40…60%.

Faktor iskorištenja zračenja lampe u području spektralne apsorpcije aktivnog medija određuje udio energije optičke pumpe koju apsorbira aktivni medij:

gdje je spektralna vrijednost energije zračenja jednog impulsa lampe pumpe;

Granice spektralnog područja apsorpcije aktivnog medija;

Spektralna vrijednost koeficijenta apsorpcije aktivnog medija;

Integralna vrijednost apsorbirane energije.

Efikasnost optičkog sistema zavisi od sledećih faktora: karakteristike prenosa rashladnog sredstva; konfiguracija i optička svojstva iluminatora; koeficijent apsorpcije pražnjenja vlastitog zračenja; raspodjela svjetline preko površine pražnjenja; udio energije žarulje usmjerene na površinu aktivne tvari; presjek kristala. Za praktične svrhe, možemo pretpostaviti da je energetska svjetlina u prosjeku tokom vremena i spektra, te da je konstantna po cijeloj dužini praznine. U najboljim iluminatorima dostiže vrijednost od 0,5 ... 0,7.

Dozvoljena vrijednost kvantne efikasnosti prijenosa energije s pobuđenog nivoa na metastabilni ovisi o temperaturi zagrijavanja aktivne tvari i iznosi 0,7 ... 0,9 u temperaturnom rasponu T = 300 ... 90 K.

5. Grafičko-analitička metoda za proračun projektnih parametara impulsnog lasera u čvrstom stanju.

Inženjer dizajna koji radi na laserskom dizajnu treba da dobije određene vrijednosti za jedan ili drugi njegov parametar. Trenutno su razvijeni posebni dijagrami za određivanje projektnih parametara lasera u čvrstom stanju. Koristeći ove dijagrame, vrlo brzo se mogu odabrati projektni parametri lasera (dužina rezonatora, dimenzije štapa aktivne tvari, karakteristike reflektora).

Pročitajte također