Рубиновый лазер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Рубиновый лазер был первым, на котором была осуществлена квантовая генерация, (Т. X. Майман, июнь 1960 г.) и который все еще находит применение. Рубин, сотни лет известный как природный драгоценный камень, представляет собой кристалл Аl₂O₃ (корунд), в котором ряд ионов Аl³⁺ замещены ионами Сr³⁺. Корунд - кристалл, по твердости уступающий только алмазу, с заметным двулучепреломлением (показатель преломления no = 1,763, ne = 1,755). Природные рубины с густо-красной окраской, которую создает большая концентрация хрома (порядка одного процента), высоко ценимые ювелирами, для лазерной техники непригодны. Природные рубины имеют много дефектов, внутренних напряжений, посторонних химических примесей и макровключений, и не достигают нужных для лазерной техники размеров. Концентрация хрома в них существенно больше оптимальной. Поэтому в лазерной технике применяют только синтетические монокристаллы розового рубина со строго нормированными составом и оптическими характеристиками.

Кристаллы рубина, применяемые в лазерах в качестве активной среды, обычно получают путем выращивания из расплава смеси Аl₂O₃ и небольшой части Сr₂O₃ (~ 0,05 вес. %).

Конструкция лазера на рубине стала прототипом множества твердотельных лазеров. резонатор рубиновый лазер освещение

Их общие технические признаки - стержневые активные элементы и применение для накачки импульсных газоразрядных ламп.

1. Описание активной среды

Активные элементы рубиновых лазеров имеют форму цилиндра диаметром от 5 до 20 мм и длиной от 80 до 240 мм. Обычная концентрация ионов хрома - 0,05% по массе.

Ионы Cr³⁺ изоморфно замещают в кристаллической решетке корунда ионы алюминия А1³⁺, каждый из которых находится в окружении шести ионов кислорода O^2-, образующих правильный октаэдр (рисунок 1). Ионный радиус А1³⁺ составляет 0,51 * 10^-4 мкм, он меньше ионного радиуса Cr³⁺ (0,63 * 10^-4 мкм) и поэтому ион Cr³⁺ оказывается несколько смещенным от центра октаэдра вдоль тригональной оси кристалла. Искажение симметрии кристалла приводит к внутренним напряжениям и дефектам структуры кристалла. Показатель преломления рубина для поляризованного обыкновенного луча составляет ~1,76. Разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей равна 0,008, теплоемкость кристалла 753,6 Дж/(кг * К), теплопроводность 45 Вт/(м * К) (при 30 °С). Учитывая высокие оптические, механические и квантовые свойства, рубин занимает особое место среди активных веществ лазерной техники.

2. Конструкция

Рисунок 1. Конструкция первых рубиновых лазеров

Используемая в рубиновых лазерах оптическая некогерентная накачка предполагает возбуждение активных центров при поглощении активной средой излучения от некоторого некогерентного источника света. В настоящее время для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы, заполненные ксеноном или криптоном при типовом давлении 500 Торр. Такие лампы дают практически белый свет с существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы хрома имеют сильные полосы поглощения. Активный элемент вместе с лампами накачки монтируют в герметичном светоотражателе.

Поверхность отражателя является в сечении эллипсом, в фокусах которого находятся активный элемент и источник накачки.

На практике могут использоваться отражатели различной формы и конструкции. Так же на рисунке 5 изображен двухламповый отражатель, показанный в поперечном сечении. Такой отражатель позволяет повысить выходную мощность излучения.

Лампы и светоотражатель в сборе называют осветителем лазера; осветитель в сборе с активным элементом называют излучателем или квантроном. В современных лазерах чаще всего применяют прямолинейные импульсные газоразрядные лампы. Спиральные лампы, которые применяли в первых образцах рубиновых лазеров, ныне встречаются редко.

В принципе спиральная лампа должна быть более эффективным источником излучения в сравнении с группой прямолинейных ламп, окружающих один и тот же рубиновый стержень, но осветители с линейными лампами проще по конструкции, компактнее, удобнее в работе и в ремонте. Практический опыт показал, что важное значение имеет компактное размещение ламп накачки и активного элемента, а диффузные светоотражатели в сравнении с зеркальными обеспечивают более однородную накачку.

Расчет оптимальной схемы освещения активного элемента довольно сложен из-за необходимости учета множества косых лучей от протяженного источника света. Во всяком случае, вряд ли следует учитывать лучи, один раз прошедшие через рубин, так как они почти полностью поглощаются на толщине стержня (~1 см). Газоразрядный столб в лампе накачки считают непрозрачным для его собственного излучения из-за большой концентрации атомов газа. На практике схему освещения чаще выбирают по результатам испытаний, и в последующих разработках стараются воспроизвести удачный испытанный вариант.

Особенность рубинового лазера как трехуровневого требует добиваться как можно более однородного освещения активного элемента по всему его объему. Для этого длина ламп, размеры корпуса осветителя, светоотражателя и активного элемента должны быть оптимально согласованы. В рубиновом лазере обычно устанавливают две или четыре импульсные лампы с максимально-допустимой энергией разряда 5…8 кДж на одну лампу. При длине активного элемента 240 мм диаметром 16 мм в импульсе свободной генерации энергия лазерного излучения достигает нескольких десятков джоулей. Лампы обычно соединяют последовательно, чтобы упростить синхронизацию их импульсного зажигания.

Цилиндрическим поверхностям активных элементов обычно придают шероховато-полированную зернистую структуру, что нарушает полное внутреннее отражение и подавляет возможную паразитную генерацию лазера на нежелательных типах колебаний.

У монокристалла розового рубина отчетливо выражены дихроизм и двулучепреломление. Поэтому для улучшения однородности излучения ось активного элемента чаще всего выбирают совпадающей с оптической осью монокристалла. Влияние дихроизма учитывают при монтаже лазера, так что прямое излучение ламп падает на активный элемент в направлении наибольшего поглощения. Иногда ось активного элемента ориентируют ортогонально оптической оси монокристалла. В таком случае излучение лазера имеет линейную поляризацию.

3. Схема уровней и рабочие переходы

Рисунок 2. Упрощенная схема энергетических уровней и переходов

Рубин имеет две основные полосы поглощения ⁴F₁ и ⁴F₂, причем наиболее интенсивное поглощение на эти полосы из основного состояния ⁴А₂ происходит на длине волны соответственно 0,55 мкм и 0,42 мкм. Эти полосы связаны очень быстрой безызлучательной релаксацией с состоянием как 2А, так и . Поскольку эти два последних состояния также связаны друг с другом очень быстрой безызлучательной релаксацией (~ 10^-9 с), то их населенности термализуются, что приводит к более высокой населенности уровня E. Однако время релаксации в основное состояние как уровня 2А, так и Е, довольно большое.

На уровне накапливается наибольшая доля энергии накачки, и, следовательно, этот уровень хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Действительно, лазерная генерация в рубине имеет место на переходе Е и ⁴А₂ (R₁ линия) с длиной волны л₁= 694,3 нм (красная). Однако следует заметить, что расстояние между уровнями 2А и Е по частоте (~29 см^-1) мало по сравнению с kT/h (~ 209 см^-1 при Т=300 К ), и, следовательно, населенность уровня 2А сравнима с населенностью уровня Е или немного меньше ее. Кроме того, мы видим, что можно также получить генерацию и на переходе 2Аи ⁴А₂ (R₂ линия, л ₂ = 692,8 нм). Усиление на линии R₂ несколько меньше, чем на R₁ Поэтому лазерная генерация на линии R₂ может быть получена с помощью, например, дисперсионных резонаторов.

Заметим, что переход R₁, преимущественно однородно уширен при комнатной температуре. При этом уширение обусловлено взаимодействием ионов Сr³⁺ с фононами решетки. Ширина перехода, измеренная на полувысоте, составляет Дн_o ? 11 см^-1 (330ГГц при Т=300 К),это означает, что рубиновый лазер может работать как в непрерывном так и в импульсном режимах. При длительности импульса т = 10 нс пиковая мощности достигает 50 МВт, а в режиме синхронизации мод пиковая мощность в импульсе с длительностью 10 пс равна нескольким гигаваттам.

Это делает рубин привлекательным материалом для получения генерации коротких импульсов при работе в режиме синхронизации мод.

4. Резонатор рубинового лазера

Оптический резонатор всякого лазера выполняет три важных функции:

1) увеличение времени эффективного взаимодействия излучения с усиливающей средой (накопление энергии),

2) выделение направления преимущественного излучения света (пространственная селекция)

3) выделение определенных частот излучения (частотная селекция).

В рубиновых лазерах одно из зеркал (заднее, глухое) обычно имеет коэффициент отражения выше 99%. Второе зеркало (переднее, выходное) обычно отражает 50…60% мощности падающего излучения. Отметим, что добротность резонатора длиной около метра даже с такими зеркалами с учетом реальных потерь в активном элементе не мала (порядка 105…106). В активном элементе длиной 200 мм при таких зеркалах порог генерации лишь немного превышает порог инверсии. Усиление в рубине выше порога инверсии быстро растет при увеличении энергии накачки, и может достигать (0,2…0,3) см^-1.

Если энергия накачки активного элемента длиной 200 мм в два раза превышает порог инверсии, то генерация возможна при уровне потерь в резонаторе примерно до 95%. Следовательно, резонатор рубинового лазера справляется с функцией накопителя, сохраняя всего несколько процентов энергии на один проход.

Зеркала современных твердотельных лазеров представляют собой многослойные диэлектрические интерференционные отражающие покрытия на стеклянных (или кварцевых) подложках. На подложку наносят чередующиеся слои двух прозрачных для излучения лазера неорганических диэлектриков с разными показателями преломления n. На границах слоев возникает отражение из-за разницы показателей преломления.

Например, при сочетании слоев MgF2 сn₁ = 1,35 и ZnS сn₂ = 2,3 коэффициент отражения r = 7% (по интенсивности света). Толщины слоев li делают такими, что оптическая толщина каждого слоя nili близка к четверти длины волны, так что две волны, отраженные от соседних поверхностей, претерпевают интерференцию с синфазным сложением их напряженностей. Отметим, что на каждом втором отражении (от границы слоя с меньшим показателем преломления) происходит скачок фазы на р, и еще на проходе через один слой и обратно набегает фаза р, так что общая разность фаз между волнами, отраженными от двух границ одного слоя, равна 2р.

В оптическом резонаторе интерференция падающей? и отражённой? волны приводит к образованию стоячеи? волны с удвоеннои? амплитудои?, при этом происходит пространственное перераспределение напряженностеи? электрического и магнитного полеи?. Такие распределения представляются как типы колебании? или моды оптического резонатора. Для разных мод принято обозначение типа TEMmnq как сокращенное название для волн с напряженностью поперечного электрического и магнитного полеи?. При этом m и n показывают распределение интенсивностеи? на поперечном сечении лазерного пучка, q показывает число максимумов напряженности поля на оси лазера. Каждая мода, отличающаяся своими значениями m, n, q, обладает инои? частотои? излучения. Низшии? тип колебании? TEM00 называется основнои? модои?, для нее характерно гауссово распределение интенсивности.

Из условия резонанса следует, что на длине резонатора должно укладываться целое число полуволн:

L = n·л / 2,

где L - длина резонатора; n = 1, 2, 3 ... - целое число; л - длина волны лазерного излучения.

Частота аксиальнои? моды вычисляется как

нn =с/лn =nc/2L.

Расстояние между двумя соседними модами определяется выражением

?н=нn+1 -нn =c/2L.

Параллельно оптическои? оси могут распространятся небольшое количество мод с низкими потерями энергии?. Все остальные моды резонатора соответствуют волнам, которые почти полностью затухают после одного прохождения через резонатор. Поэтому конструктивно оптические резонаторы выполняются в виде открытых резонаторов. Выходные параметры лазерного излучения обусловлены геометрическои? конструкциеи? оптического резонатора.

В основе резонатора рубинового лазера лежит Плоскопараллельныи? резонатор (резонатор Фабри - Перо)

Плоскопараллельныи? резонатор состоит из двух плоских зеркал, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Моды такого резонатора представляются как суперпозиция двух плоских электромагнитных волн, распространяющихся в противоположных направлениях вдоль оси резонатора.

5. Применение рубинового лазера

Рубиновые лазеры характеризуются невысоким коэффициентом полезного действия, но зато отличаются термической стойкостью. Этими качествами и обуславливаются направления практического использования лазеров. Сегодня их применяют в создании голографии, а также на производствах, где требуется выполнять операции пробивки сверхточных отверстий. Используют такие устройства и в сварочных операциях. Например, при изготовлении электронных систем для технического обеспечения спутниковой связи. В медицине также нашел свое место рубиновый лазер. Применение технологии в данной отрасли вновь объясняется возможностью высокоточной обработки. Такие лазеры используют как замену стерильных скальпелей, позволяющих выполнять микрохирургические операции.

Список литературы

1. Звелто О. «Принципы лазеров» 2008г., издательство «Лань» г. Санкт-Петербург;

2. Баи?бородин Ю.В. «Основы лазернои? техники» 1988г., издательство «Высшая школа» г. Москва;

3. Тарасов Л.В. «Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения» 1981г., издательство «Радио и связь», г. Москва;

4. КондиленкоИ.И., Коротков П.А., Хиджняк А.И. «Физика лазеров» 1984г., издательство «Высшая школа» г. Москва;

5. Сивухин Д.В. «Общий курс физики, том Оптика» 2005г., издательство «Физматлит», г Москва.

Размещено на Allbest.ru