Лазеры на АИГ с непрерывной накачкой

Реферат выполнил Дёмин А.А.

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Москва 2007

Общие сведения о кристаллах Y3Al5O12-Nd 3+

В лазере, как и во всяком генераторе электромагнитных волн, основой является активный элемент, преобразующий энергию внешнего источника питания в нужное излучение. В нашем случае таким элементом является кристалл алюмоиттриевого граната с добавкой трехвалентного иона неодима Y3Al5O12-Nd 3+. Этот ион является самым распространенным активатором лазерных кристаллов. Он обладает способностью к генерации почти в 80 средах. Однако из этого многообразия сред широкое практическое применение нашли лишь стекла нескольких марок и несколько типов кристаллов, самым распространенным из которых является алюмоиттриевый гранат. Последнее обусловлено присущей кристаллам граната с неодимом (АИГ-Nd) совокупности полезных свойств, которые будут рассмотрены ниже.

В последнее время в промышленном производстве стали появляться другие типы кристаллов. Это прежде всего алюминат иттрия, калий гадолиниевый, вольфрамат, галлий скандий гадолиниевый гранат и т. д. Каждый из них имеет то или иное преимущество по сравнению с кристаллами АИГ, что позволяет ставить вопрос о возможной замене АИГ-кристаллов в тех или иных конкретных случаях новыми кристаллами. Однако во многих своих применениях кристаллы АИГ пока остаются вне конкуренции, особенно в мощных лазерных установках.

Впервые искусственный кристалл АИГ-Nd как лазерный элемент был создан в 1964г. С тех пор было разработано несколько методов выращивания кристалла, наиболее совершенным из которых пока является метод Чохральского. Сущность этого метода заключается в том, что исходный материал кристалла сначала расплавляется в специальном тигле и последующая кристаллизация осуществляется путем выведения части расплава из тигля с помощью затравки. Температура затравки несколько ниже температуры расплава, и при вытягивании расплав постепенно кристаллизуется на поверхности затравки. Кристаллографическая ориентировка закристаллизовавшегося расплава воспроизводит ориентировку затравки. В процессе выращивания кристалла температура расплава поддерживается на уровне 1980° С . Столь высокие температуры требуют применения стойкого материала для тигля. Применительно к кристаллам АИГ-Nd наилучшим является металл иридий. Высокая цена и большой дефицит иридия являются существенными недостатками для выращивания кристалла АИГ-Nd.

Выращивание кристалла осуществляется в инертной среде (в атмосфере аргона или азота) при нормальном атмосферном давлении с малой (1—2% по объему) добавкой кислорода. Оптимальная скорость роста с точки зрения совершенства оптических свойств кристалла составляет 0,5 мм/ч, что также является недостатком технологии, так как для выращивания кристалла средних размеров (длиной около 15 см) требуется 300 ч (12,5 сут) непрерывной работы, ростовой установки. Метод Чохральского позволяет выращивать достаточно крупные кристаллы длиной до 20 см и диаметром до 4 см. В процессе роста в центральной части кристаллов возникают механические напряжения, приводящие к оптическим искажениям. Поэтому активные элементы вырезают из периферийных областей кристалла. Как правило, активные элементы вырезаются в форме тонких длинных цилиндров самых различных размеров. Ось активных элементов направлена вдоль оси кристалла-заготовки, т. е. фактически вдоль оси выращивания кристалла. В свою очередь ось выращивания кристалла, как отмечалось выше, задается ориентацией затравки. Следовательно, меняя ориентацию затравки, можно по желанию менять направление кристаллографических осей в активном элементе.

Принцип работы лазера. Инверсная населенность.

Рассматриваемый нами лазер на гранате с неодимом работает по так называемой четырехуровневой схеме. Ионы неодима, расположенные внутри кристалла граната, имеют систему энергетических уровней, схематически изображенную на рис.1. Первый уровень, называемый основным, соответствует минимально возможному значению энергии, которую могут иметь ионы. Число ионов, имеющих минимальную энергию (находящихся на основном уровне), составляет большинство. Число ионов, находящихся на более высоких уровнях энергии, заметно меньше и оно подчиняется равновесному распределению Больцмана

где Npi — число ионов в единице объема, находящихся на уровне i; Wi — разность между энергией уровня i и энергией основного уровня; k=1,38∙10-23 Дж/к—постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура кристалла. Обычно энергию основного уровня считают условно нулевой, тогда Wi будет просто энергией i-ro уровня. Значение kT для комнатной температуры (Г=300 К) равно 4,14∙10-21 Дж ≈207 см-1. Поэтому, если Wi>kT (что выполняется для кристаллов АИГ-Nd), населенность уровней 2—4 оказывается действительно малой по сравнений с Npi Причем чем выше уровень, тем меньше на нем находится ионов неодима. Уровень 3 является метастабильным, т. е. время нахождения ионов неодима на нем существенно больше, чем на уровнях 2 и 4.

Рис.1. Схема переходов между уровнями энергии ионов неодима

Рис.2. Прохождение света через лазерный кристалл: а — в термальном состоянии (N3<N2) б — в накаченном (возбужденном) состоянии (N3>N2)

Предположим, что внутри кристалла распространяется свет с частотой, равной частоте перехода между рабочими уровнями 2 и 3,