Реферати українською » Физика » Лазери на ітрій-алюмінієвому гранаті


Реферат Лазери на ітрій-алюмінієвому гранаті

>Реферат

на задану тему:

>Лазери наиттрий-алюминиевом гранаті


Запровадження

>Неодимовие лазери є найпопулярнішими з твердотільних лазерів. У цихлазерах активної середовищем зазвичай є кристалY3AI5O12 [скорочено званийYAG (>yttriumaluminumgarnet,иттрий-алюминиевий гранат)], у якому частина іонівY3+ заміщена іонамиNd3+. Іноді також використовується фосфатне чисиликатное скло,легированное іонамиNd3+. Типові рівні легування для кристалаNd :YAG становлять близько 1ат. %. Вищі рівні легування ведуть до гасінню люмінесценції, і навіть до внутрішнім напругам в кристалах, оскільки радіус іонаNd3+ приблизно 14 % перевищує радіус іонаY3+. Цей рівень легування надає прозорого кристалуYAGбледно-пурпуровую забарвлення, оскільки лінії поглинанняNd3+ лежать у червоною області.


>Nd:YAG-лазер

На рис. 1 представлена спрощена схема енергетичних рівнівNd :>YAG. Ці рівні обумовлені переходами трьох4f електронів внутрішньої оболонки іонаNd3+. Оскільки ці електрони екрануються вісьмома зовнішніми електронами (>5s2 і5р6), на згадані енергетичні рівні кристалічний полі впливає лише незначній мірі. Тому спектральні лінії, відповідні аналізованим переходами, щодо вузькі. Рівні енергії позначаються відповідно до наближенням зв'язку Рассела— Сандерса атомної фізики, а символ, що характеризує кожен рівень, має вигляд2s+1LJ, де P.S —сумарне спіновий квантове число,J— сумарне квантове число кутового моменту, а L — орбітальне квантове число. Зауважимо, що дозволені значення L, саме L = Про, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ..., позначаються прописними літерами відповідно P.S, Р, D, F, G, М, I, ... .

>Рис. 1. Спрощена схема енергетичних рівнів кристалаNd :YAG.

Отже, основне стан4I9/2 іонаNd3+ відповідає стану, у якому2S+ 1=4 (т. е. P.S = 3/2), L = 6 іJ = L —5 = 9/2. Дві основні смуги накачування розташовані на півметровій довжинах хвиль 0,73 і 0,8мкм відповідно, хоча інші більш високо що лежать смуги поглинання також відіграють істотне значення. Ці смуги пов'язані швидкої (~ 10-7 з)безизлучательной релаксацією з рівнем4Fз/2, звідки йде релаксація на нижні рівні (саме4I9/2,4I11/2 і4I13/2); цей останній рівень не показаний на мал.1. Проте швидкість релаксації значно менше (т = 0,23 мс), оскільки перехід заборонено у наближенніелектродипольного взаємодії (правило відбору дляелектродипольно дозволених переходів має виглядJ=0 чи ±1) і те щобезизлучательная релаксація йде повільно внаслідок великого енергетичного зазору між рівнем4F3/2 і найближчим щодо нього нижнім рівнем. Це означає, що справжній рівень4F3/2запасет велику частку енергії накачування і тому добре пасує роль верхнього лазерного рівня. Виявляється, що із різних можливих переходів з рівня4F3/2 нанижележащие рівні найбільш інтенсивним є перехід4F3/2I11/2 З іншого боку, рівень4I11/2 пов'язаний швидкої (порядку наносекунд)безизлучательной релаксацією в основне стан, а відмінність між енергіями рівнів4I11/2 і4I9/2 на порядок величини більше, ніжкТ. Звідси випливає, що теплове рівновагу між двома рівнями встановлюється дуже й за статистикоюБольцмана рівень4I11/2 у хорошому наближенні вважатимуться практично порожнім. Отже, цей рівень може бути чудовим кандидатом в ролі нижнього лазерного рівня.

З сказаного вище ясно, що у кристаліNd :YAG перехід4F3/24I11/2 добре адресований отримання лазерного генератора в чотирирівневої схемою. Насправді необхідно ухвалити до уваги таке; Рівень4F3/2 розщеплений електричним полем всередині кристала (ефектШтарка) на два сильно пов'язанихподуровня (>R1 іR2), розділених енергетичним зазоромЕ = 88см-1. Рівень4I11/2 також розщеплений внаслідок ефектуШтарка на шість підрівнів. Виявляється, що лазерна генерація зазвичай приміром ізподуровняR2 рівня4F3/2 визначенийподуровень рівня4I11/2, оскільки це перехід має найбільшу значенням перерізу переходу (> = 8,8-10-19см2). Цей перехід має довжину хвилі= 1,064мкм (ближній ІК. діапазон). Але потрібно нагадати, що, оскількиподуровниR1 іR2 сильно пов'язані, попри всі обчисленнях використовують ефективне перетин21= 3,5*10-19см2 . Варто зазначити, що, використовуючи врезонаторе лазера підходящудисперсионную систему генерацію можна отримати роботу на багатьох інших довжинах хвиль, відповідних різним переходами:4F3/2I11/2 (= 1,05—1,1мкм),4F3/2I13/2 (> = 1,3 9мкм— найінтенсивна лінія у разі) і переходу4F3/2I11/2 (> близько 0,95мкм). З іншого боку, варто згадати, що лазерний перехід із= 1,06мкм при кімнатної температурі одноріднийуширен внаслідок взаємодії з фононами грати. Відповідна ширина = 6,5см-1 = 195 ГГц за нормальної температури T = 300 До. ЦеNd:YAG дуже підхожим для генерації як синхронізації мод. Велике тривалість життя верхнього лазерного рівня (>t = 0,23 мс) дозволяєNd :YAG бути досить хорошим до роботи на режимі модульованої добротності.Nd :YAG лазери можуть працюватиме, як у безперервному, і у імпульсному режимі. У обох випадках звичайно використовуються лінійні лампи в схемах зодноеллипсним освітлювачем, з близьким розташуванням лампи і кристала чи змногоеллипсним освітлювачем. Робота в імпульсному й безупинному режимах застосовуються відповідноксеноновие лампи середнього тиску (500— 1500 мм рт. ст.) ікриптоновие лампи високого тиску (4— 6атм). Розміри стрижнів зазвичай таку ж, як і в рубінового лазера. Вихідні параметриNd:YAG-лазера виявляються такими: у безперервномумногомодовом режимі вихідна потужність до 200 Вт; в імпульсному лазері із швидкістю повторення імпульсів (50 гц) середня вихідна потужність майже 450 Вт; як модульованої добротності максимальна вихідна потужність до 50 МВт; як синхронізації мод тривалість імпульсу до 20пс. Як у імпульсному, і у безупинному режимі диференціальний ККД становить близько 1—3%.


Приклад чинного лазера

Розглянемо безперервнийNd:YAG-лазер.Активной середовищем тут є іониNd3+ в кристаліY3AI5O12. ІониNd3+ заміщають в кристалі деякі іониY3+. Досить сказати, що така лазер працює за чотирирівневої схему, і його довжина хвилі випромінювання = 1,06мкм (близькаИК-область спектра). Припустимо, що концентрація іонівNd3+ становить 1 % (т. е. 1 % іонівY3+ заміщений іонамиNd3+); це, що населеність основного стану дорівнюєNg= 6•1019 іонівNd3+/cм3. У цьому значенні концентрації тривалість життя верхнього лазерного рівня (залежність часу життя від концентрації обумовленаконцентрационной залежністю швидкості релаксаціїбезизлучательного каналу) становитьt = 0,23*10-3 з. У порівняні з цим часом тривалість життя нижнього лазерного рівня значно менше. Щоб обчислити ефективне перетин, зауважимо, що верхній лазерний рівень у дійсності і двох сильно пов'язаних рівнів, розділених відстаннюЕ = 88см-1 (див. рис. 1).

>Рис2.Схема резонатора.

Генерація відбувається міжподуровнемR2 верхнього рівня життя таподуровнем нижнього4I11/2 лазерного рівня.Сечение цього переходу= 8,8 * 10-19см2. Розглянемо тепер лазерну систему, показану на рис. 2, і припустимо, що накачування стрижня здійснюєтьсякриптоновой лампою високого тиску з еліптичної конфігурацією освітлювача. Типова крива залежності вихідний потужності Р (примногомодовой генерації) від вхідний потужностіРр,подводимой докриптоновой лампі, повинен мати лінійний видЭкстраполяция лінійного ділянки кривою дає для порогової потужності накачування значенняРпор = 2,2 кВт. Використовуючи наведені вище значенняt і21, отримуємоIs =h/t21 = 2,33кВт/см2 ,в такий спосіб знаходимо Р = 58 (>Рр/Рпор — 1), що добре цілком узгоджується з експериментом.

Щоб можна було порівняти значення порогової потужності (>Рпор = 2,2 кВт) і диференціального ККД (n = 2,4%), отримані екстраполяцією експериментальних даних, з відповідними теоретичними значеннями, треба зазначити величинуyi. Оскільки хороше багатошарове дзеркальне покриття має коефіцієнт поглинання менше 0,5%. знехтували тут поглинанням дзеркала А2. Якщо провести декількох вимірів порогової потужності накачування що за різних коефіцієнти відображення дзеркалаR2, має вийти лінійна залежністьРпор від ->InR2. Саме таке залежність бачимо експериментально

Оскільки внутрішні втрати відомі, можна знайти ККД накачування Якщо диференціальний ККД рівним 2,4%, то отримуємо ККД накачування однакову 4,2 %, що цілком відповідає оскільки він розглядався типу системи накачування . Якщо відомі повні втрати, можна також розрахувати порогову інверсіюнаселенностей (>Nc=4,5*1016Nd3+ионов/см2).

>Вичислим тепер оптимальне пропускання вихідного дзеркала у разі, коли накачування втричі перевищує порогову (x = 3), т. е. коли вхідні потужність,подводимая до лампі, становить 6,6 кВт.хмин = 9,4. Отже отримуємо (>2)опт = 0,157, що він відповідає величині оптимального пропускання (>Т1)опт =14,5%. Ця величина дуже близька до значенням пропускання дзеркала, що у аналізованому прикладі.

Останнім завдання обчислимо середню вихідну потужність лазера, працював у режимі однієї модиТЕМ00 при вхідний потужності накачування лампиРр = 10 кВт. Насамперед знаходимо, що розмір плями на пласкому дзеркалі резонатора, показаного на рис. 2, становить 0,73 мм, де R —радіус кривизни увігнутого дзеркала, а L —довжина резонатора. Припустимо, що з здійснення генерації на модіТЕМоо в резонатор поблизу сферичного дзеркала вміщена кругла діафрагма досить малого діаметра2a, щоб уникнути генерацію на модіТЕМ10. Отже, повні втрати цієї останньої моди повинні досягати по крайнього заходу величини 0,54, а дифракційні втрати через запровадження діафрагми мають становитиd= 0,42. Тому дифракційні втрати повним прохід резонатора рівні2d = 0,84, що з повному проході резонатора дає втратиTi = 57 %. Щоб знайти необхідний розмір діафрагми, зауважимо, що втрати після повного проходу резонатора, показаного на мал.2 , виявляються так само, як і за одному проході в симетричномурезонаторе, утвореному двома однаковими дзеркалами з радіусами кривизни R = 5 м, розташованими друг від друга з відривомLs =2L = 1 м, і з діафрагмою всередині резонатора діаметром 2а. Оскільки g'= 0,8 і мають становити 57 %, необхідно, щоб N =a2/Ls = 0,5, звідки отримуємо розмір діафрагми а = 0,73 мм. Під час такої діафрагмі модаТЕМ00 еквівалентного симетричного резонатора має втрати, рівні 28 %. Тому також рівнідифракционним втрат нашого резонатора повним прохід, що СРСР розвалився, втрати за прохід рівні 0,164. Отже, повні втрати модиТЕМоо зростають до 0,283 і порогова потужність накачування мусить бути рівноїРпор = 5,2 кВт. ОтримуємоP=1,45.


Укладання

>Nd:YAG-лазери широко застосовують у різних галузях, серед яких : вимір відстаней (переважно лазернихдальномеров для військових і прицільних пристроїв використовуютьсяNd :YAG-лазери); використання у науці (лазери з модульованої добротністю); обробка матеріалів (різка, свердління, зварювання тощо. буд.); використання у медицині (>фотокоагуляция).

Як матриць для іонаNd3+ теж можна використовувати багатьох інших кристалічні матеріали, такі, якYAL0[YAlO3],YLF[YLiF4] іGSGG [>Gd3Sc2Ga3O12].


Схожі реферати:

Навігація