Лазеры на АИГ с непрерывной накачкой (стр. 2 из 3)
Металл неодим является редкоземельным металлом и относится к группе лантаноидов. Оптические лазерные свойства ионов неодима определяются электронными переходами внутри подоболочки 4f четвертой электронной оболочки N атома неодима (рис. 4). Эта подоболочка в заметной степени экранирована от воздействия внешних электрических полей, в частности внутри-кристаллического поля, электронами внешних подоболочек 5s и 5p оболочек О и Р. Поэтому структура энергетических уровней электронов 4f подоболочки, а значит, и структура оптических лазерных переходов ионов неодима не очень зависят от типа матрицы. Воздействие матрицы проявляется в некотором (так называемом Штарковском) смещении и расщеплении исходных уровней изолированного иона за счет воздействия кристаллического поля матрицы и в уширении уровней за счет воздействия колебаний кристаллический решетки — фононов.
Рис 4. Структура электронных оболочек атома неодима: а — укрупненная структура оболочек; б — тонкая структура четвертой оболочки N (рядом с индексам оболочки указано количество электронов в ней)
Рис. 5. Упрощенная схема энергетических уровней кристалла АИГ-Nd.
На рис. 5 представлена упрощенная схема энергетических уровней АИГ-Nd. Эти уровни обусловлены переходами трех 4f электронов внутренней оболочки иона Nd3+. Поскольку эти электроны экранируются восемью внешними электронами (5s2 и 5р6), на упомянутые энергетические уровни кристаллическое поле влияет лишь в незначительной степени. Поэтому спектральные линии, соответствующие рассматриваемым переходам, относительно узки. Уровни энергии обозначаются в соответствии с приближением LS-связи атомной физики, а символ, характеризующий каждый уровень, имеет вид 2s+lLj, где S — суммарное спиновое квантовое число, j — суммарное квантовое число углового момента, a L — орбитальное квантовое число. Заметим, что разрешенные значения L, а именно L = = О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ... обозначаются прописными буквами соответственно S, P, D, F, G, Н, I Таким образом, основное состояние 4I9/2 иона Nd3+ соответствует состоянию, при котором 2S + 1 = 4 (т. е. S = 3/2), L = 6 и J = L — S = 9/2. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм соответственно, хотя другие более высоко лежащие полосы поглощения также играют важную роль. Эти полосы связаны быстрой (~ 10-7 с) безызлучательной релаксацией с уровнем 4F3/2, откуда идет релаксация на нижние уровни (а именно 4I9/2, 4I11/2 и 4I13/2), этот последний уровень не показан на рис.5. Однако скорость релаксации намного меньше (τ≈0,23 мс), поскольку переход запрещен в приближении электродипольного взаимодействия (правило отбора для электродипольно разрешенных переходов имеет вид ΔJ=0 или ±1) и поскольку безызлучательиая релаксация идет медленно вследствие большого энергетического зазора между уровнем 4F3/2 и ближайшим к нему нижним уровнем. Это означает, что уровень 4F3/2 запасет большую долю энергии накачки и поэтому хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Оказывается, что из различных возможных переходов с уровня 4F3/2 на нижележащие уровни наиболее интенсивным является переход 4F3/2 → I11/2 Кроме того, уровень 4I11/2 связан быстрой (порядка наносекунд) безызлучательной релаксацией в основное состояние 4I9/2, а разница между энергиями уровней 4I9/2, и 4I11/2 почти на порядок величины больше, чем kT. Отсюда следует, что тепловое равновесие между этими двумя уровнями устанавливается очень быстро и согласно статистике Больцмана уровень 4I11/2 в хорошем приближении можно считать практически пустым. Таким образом, этот уровень может быть прекрасным кандидатом на роль нижнего лазерного уровня.
Из сказанного выше ясно, что в кристалле АИГ-Nd переход 4F3/2 → 4I11/2 хорошо подходит для получения лазерной генерации в четырехуровневой схеме. В действительности необходимо принимать во внимание следующее: Уровень 4F3/2 расщеплен электрическим полем внутри кристалла (эффект Штарка) на два сильно связанных подуровня (R1 и R2), разделенных энергетическим зазором ΔЕ ≈ 88 см-1. Уровень 4I11/2 также расщеплен вследствие эффекта Штарка на шесть подуровней. Оказывается, что лазерная генерация обычно происходит с подуровня R1 уровня 4F3/2 на определенный подуровень уровня 4I11/2, поскольку этот переход обладает наибольшим значением сечения перехода (σ = 8,8∙10-19 см2). Этот переход имеет длину волны λ=1,064мкм (ближний ИК диапазон). Однако, поскольку подуровни R1 и R2 сильно связаны, при всех вычислениях используют эффективное сечение σ21 = z21σ = 3,5∙10-19 см2, где z21= ехр(-ΔE/kT) / [ 1 + ехр (-ΔE/kT)] =0,4 — функция распределения для подуровня R2. Следует также заметить, что, используя в резонаторе лазера подходящую дисперсионную систему, генерацию можно получить на многих других длинах волн, соответствующих различным переходам: 4F3/2 → 4I11/2 (λ = 1,05—1,1 мкм), 4F3/2 → 4I13/2 (λ=1,319 мкм—наиболее интенсивная линия в этом случае) и переходу 4F3/2 → 4I9/2 (λ около 0,95 мкм). Кроме того, стоит вспомнить, что лазерный переход с λ = 1,06 мкм при комнатной температуре однородно уширен вследствие взаимодействия с фононами решетки. Соответствующая ширина Δv = 6,5 см-1 = 195 ГГц при температуре Т = 300 К- Это делает АИГ-Nd очень подходящим для генерации в режиме синхронизации мод. Большое время жизни верхнего лазерного уровня (т = 0,23 мс) позволяет АИГ-Nd быть весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности.
Среди многообразия лазеров с непрерывной накачкой широкое применение нашли три вида: одномодовые лазеры с модуляцией добротности, лазеры с 'преобразованием частоты и мощные лазеры непрерывного режима.
Одномодовые лазеры с модуляцией добротности. Лазеры серии ЛТИ-500 генерируют моду ТВМоо наинизшего порядка. В случае непрерывной накачки импульсный режим работ с большой частотой -повторения (5—50 кГц) обеспечивается модуляцией добротности резонатора акустооптическим затвором. При выключенном затворе лазеры работают в непрерывном режиме. Зависимость мощности излучения от мощности накачки для лазера ЛТИ-502 приведена на рис. 6. Зависимости средней мощности излучения Рw, длительности импульса излучения τ и пиковой мощности от частоты -повторения импульсов для лазеров с модуляцией добротности резонатора имеют вид, 'представленный на рис. 7. При больших частотах повторения значение средней мощности: асимптотически стремится к уровню мощности в непрерывном режиме генерации. С уменьшением частоты повторения средняя мощность падает и при низких частотах линейно стремится к нулю, поскольку накопленная инверсия в промежутках между импульсами генерации расходуется на люминесценцию
Рис. 6 Зависимость мощности излучения лазера ЛТИ-502 от мощности накачки
Рис. 7. Зависимости средней мощности 1), длительности импульса 2) и пиковой мощности 3) от частоты повторения импульсов излучения лазера ЛТИ- 502
. Длительность импульсов (излучения при повышении частоты повторения «монотонно увеличивается, так как накопленная инверсия в промежутках между импульсами становится меньше. Значения пиковой мощности, приведенные на графике, рассчитаны по формуле Рпик = Р/fτ по данным, определенным из эксперимента.
Лазеры ЛТИ-500 могут работать также в многомодовом режиме генерации (без селектирующей диафрагмы в резонаторе), при этом мощность излучения составляет 20—40 Вт.
Рис. 8. Оптическая схема излучателя лазеров ЛТИ-501 и ЛТИ-502: 1 — излучатель; 2 — глухое зеркало; 3 — квантрон; 4 — селектирующая диафрагма; 5 — акустооптический затвор; 6 — выходное зеркало
Квантрон представляет собой несущий корпус, выполняемый обычно из нержавеющей стали, внутри которого находятся отражатель, активный элемент и лампа наклачки. Отражатель изготавливают из монолитной заготовки легированного европием кварцевого стекла в форме эллиптического цилиндра. В отражателе параллельно оси просверлены два отверстия, внутри которых располагают активный элемент и лампу накачки. Одноламповый осветитель с отражателем такой конструкции обеспечивает высокую эффективность накачки в одномодовом режиме генерации за счет фокусировки излучения накачки в центральную часть активного элемента, а также фильтрацию ультрафиолетового излучения
Отличительной особенностью лазера ЛТИ-503 является использование в качестве источника накачки высокочастотной безэлектродной лампы, которая одновременно выполняет функции отражателя. В связи с отсутствием электродов долговечность и число включений лампы существенно больше, чем у ламп обычной конструкции, но КПД лазера несколько меньше из-за распределенного источника свечения.
Оптическая схема резонатора, примененная в лазере ЛТИ-504, позволяет свести к минимуму искажение резонатора из-за нестационарных термически наведенных аберрационной линзы и клина активного элемента. Если центр кривизны вогнутого отражающего зеркала расположен в активном элементе (на его главной оптической плоскости), то возникающий в нем оптический клин вызывает смещение оси излучения только на этом зеркале, тогда как положение оси излучения в активном элементе и на выходном зеркале строго фиксировано. Положение выходного зеркала определяется из условия, что размер каустики пучка в резонаторе при заданной мощности накачки в первом приближении не зависит от оптической силы линзы активного элемента (рис. 9). Реализация предложенной схемы резонатора позволила существенно повысить стабильность энергетических и пространственных характеристик одномодовых твердотельных лазеров.