Лазеров с оптической накачкой

Обычно под твердотельными лазерами подразумевают достаточно представительный класс квантовых генераторов, инверсная заселенность в твердом рабочем теле которых создается путем оптической накачки. При этом за пределами этого класса лазеров остаются полупроводниковые приборы, использующие электронный или инжекционный способы возбуждения.

Активная среда твердотельного лазера содержит активные ионы примеси в твердотельной матрице. Именно в ионах примесей и создается инверсная заселенность. В качестве примесных ионов обычно используют ионы переходных металлов (марганец, хром, никель и кобальт) или редкоземельных элементов. Эти вещества имеют незаполненные

утренние оболочки при наличии электронов на внешней. Электроны на внешней оболочке частично экранируют электрическое поле соседних ионов кристаллической решетки, приводящее к сильному уширению испускаемых активным ионом спектральных линий, что, в свою очередь, приводит к росту коэффициента усиления и облегчает получение инверсной заселенности.

В настоящее время инверсная заселенность получена. на большом числе ионов (например, на Сг ', Nd , Sm , Ni , Er и др.). 0днако в лазерах промышленного назначения используются лишь первые два из них.

В качестве матриц твердотельных активных сред используются такие кристаллические или. аморфные -диэлектрические материал, как корунд (Al ), иттрий-алюминиевый гранат (Y )» стекло. Оптимальная концентрация примесных ионов в матрице, как правило, невелика и составляет 0,05 • 10% Уменьшение ее приводит к спаду коэффициента усиления, а увеличение — к взаимодействию активных частиц между собой.

Рабочий активный элемент технологического лазера должен удовлетворять большому числу зачастую противоречивых требований. Он должен обеспечивать большой коэффициент усиления, быть оптически однородным, механически прочным; термостойким, технологичным, прозрачным для излучения накачки, а также допускать механическую и оптическую обработку, допускать изготовление образцов больших размеров и иметь высокую теплопроводность. Поэтому неудивительно, что число активных элементов, используемых в технологических лазерах, крайне невелико; Их характеристики приведены в табл. 6.

Рис. 40. Рис. 41

 

 

Принципиальная схема устройства твердотельного лазера показана на рис. 40 0н состоит из активного элемента 1, резонатора 2, газоразрядной лампы 3 с ксеноновым или криптоновым наполнением, являющейся источником оптической накачки, отражателя 4 и системы питания лампы накачки 5.

Таблица 6

Рабочее тело	Рубин	Стекло с неодимом	и ри- алюминиевый гранат
Теплопроводность, Дж/(см* с*К)	0,3	0,01
Максимальные размеры ( Ø*длина), см	0,5…1,0*20…50	5х20…50	О,5х 10
Пороговая энергия накачки, Джlсм		0,5
Возможные режимы работы,мс	Импульсно- периодический	Имнульсно- периодический	Непрерывный и -импулъсно- периодический
Длительность излучения в режиме свободной генерации, мс		0,1…1	0,5…10
Энергия излучения, Дж: а) в режиме свободной генерации б) в режиме с модулированной добротностью	1..100   0,1…1		1..10     0,1..1
Мощность непрерывной генерации, Вт	-	-

 

Возбуждение верхнего лазерного уровня в твердотельных лазерах осуществляется через одну или несколько более высокорасположенных полос поглощения. Энергия излучения лампы накачки достаточно эффективно поглощается в части спектра, соответствующей полосам поглощения, и передается путем безызлучательных переходов на верхний лазерный уровень, образуя инверсию. Отражатель предназначен для повышения эффективности использования излучения лампы накачки. Потребляемая от источника питания электрическая энергия теряется в разрядной цепи лампы и в разряде, в отражателях, в виде излучения лампы накачки с длинами волн, не совпадающими с полосами поглощения, энергии безызлучательных переходов на основной и верхний лазерный уровень, энергии переходов с нижнего лазерного уровня (если он не совпадает с основным) на основной и потерь в резонаторе. Соответствующая этим потерям энергия отводится от активного элемента и лампы накачки охлаждающей жидкостью.

Большинство твердотельных лазеров работает в режиме импульсного возбуждения, продолжающегося, как правило, 1 мс, и при отсутствии специальных мер имеет специфический, так называемый дичковый режим генерации. Несмотря на непрерывное в течение всего светового импульса-накачки с интенсивностью I (рис. 41, а) возбуждение, излучение лазера (рис. 41, в) появляется через некоторое время задержки и имеет вид отдельных пучков с характерной длительностью ~1 мкс и интервалами между ними ~1О мкс. Такой характер генерации может быть обусловлен целым рядом причин. Из-за большого выделения теплоты в активном элементе в процессе возбуждения и генерации происходит непрерывное изменение плотности и показателя преломления рабочего тела. Эти изменения вызывают изменение оптической длины резонатора и, как следствие, скачкообразное изменение продольной моды. К изменению продольной моды приводит также связанное с нагревом рабочего тела изменение ширины и положения линий флюоресценции активного иона. Так, например, при комнатной температуре максимум одной из линий поглощения рубина смещается в более коротковолновую область на 5 мкм при нагреве на 1К. В типичных условиях возбуждения рубина это может приводить к изменению номера продольной моды на единицу за время ~10 мкс.

К числу основных процессов, ответственных за пичковый характер генерации твердотельных лазеров, необходимо отнести возникновение так называемого релаксационно-колебательного режима генерации электромагнитных волн в резонаторе. Возможность возникновения такого режима генерации связана с наличием «инерционности» в процессах

создания и снятия инверсной заселенности. Стационарный процесс генерации не устанавливается в лазере мгновенно по достижению порогового коэффициента усиления. Для включения процессов вынужденного излучения в резонаторе нужно раскачать определенную амплитуду электромагнитной волны. Этот процесс может начаться лишь при условии K >K и в силу конечности величин сечений вынужденных переходов не может произойти мгновенно (напомним, что Ko — это коэффициент усиления активной среды, а K — пороговое значение коэффициента усиления резонатора лазера.

К моменту времени, когда частота вынужденных переходов сравнивается со скоростью возбуждения верхнего лазерного уровня, коэффициент усиления в резонаторе превышает K (рис. 41, б), поэтому рост интенсивности поля продолжает лавинообразно расти. Несмотря на то что, начиная с этого времени, скорость процессов снятия инверсной заселенности полем превышает скорость возбуждения верхнего лазерного уровня и коэффициент усиления начинает падать, рост поля продолжается и к моменту, когда Кo= K частота вынужденных переходов по-прежнему существенно превышает частоту заселения верхних уровней. В результате этого процесса генерация не прекращается. Интенсивность излучения в этот момент лишь достигает своего максимума. Опустошение верхнего лазерного уровня одолжается и к моменту окончания генерации К0< K . Далее процесс повторяется.

Приведенные рассуждения качественно иллюстрируются временными зависимостями, приведенными на рис. 41, б, в.

В заключение укажем еще одно явление, способное приводить к пичковому режиму генерации. Линия флюоресценции твердотельных лазеров достаточно широка, длина резонатора, наоборот, мала и поэтому все они, как правило, могут работать на большом числе продольных мод. Активные ионы рабочего тела в твердотельных лазерах закреплены на своем месте в матрице. Поэтому возникновение генерации на одной из собственных частот резонатора приводит к снижению коэффициента усиления в слоях рабочего тела, совпадающих с пучностями стоячей электромагнитной волны. В результате этого создаются предпочтительные условия генерации с пучностями поля, соответствующими узлам ранее рассмотренной моды, и возникает возможность пичкового режима генерации,

Для увеличения мощности и сокращения длительности генерации твердотельных лазеров широко используется метод модулированной добротности. В этом случае в резонатор лазера помещают просветляющийся затвор. Накачка активного элемента протекает в течение времени, сравнимого со временем релаксации возбуждения верхнего лазерного уровня (1О -10 с). В конце периода возбуждения затвор просветляется и осуществляется моноимпульсный режим генерации. При этом большая часть энергии возбуждения высвечивается в течение времени порядка времени вынужденного излу щния.

Рассмотрим более подробно характеристики наиболее распространенных в лазерной технологии твердотельных лазеров.

Рубиновый лазер

Созданный в 1960-г. Т. Мейманом рубиновый лазер был первым оптическим квантовым генератором и именно с его появлением связывают рождение лазерной техники.

Рабочее тело этого лазера - синтетический рубин, являющийся кристаллическим оксидом алюминия А1 0з, в котором небольшой процент алюминия замещен хромом. Оптимальное содержание Сr в матрице А1 0з составляет по массе ~0,05%/ Типичная концентрация активных ионов составляет 1О см . Трехкратно ионизованный ион хрома в кристаллической решетке рубина содержит три электрона во внешней электронной

оболочке. В процессе ионизации при образовании решетки атом хрома теряет один электрон из оболочки 4s и два из оболочки Зd. Некоторые теплофизические характеристики рубина, можно найти в табл. 6.

Рубин активно поглощает свет в зеленом и синем участках видимого спектра и излучает красную линию флюоресценции с максимумом на длине волны 0,6943 мкм и шириной при комнатной температуре ~0,4 нм.

Схема наиболее важных для работы лазера энергетических уровней нона Cr приведена на рис. 42. Лежащее в пределах полос поглощения рубина излучение лампы накачки поглощается и переводит электрон в ионе хрома на один из широких верхних уровней или . В результате эффективно протекающих безызлучательных переходов за время 10 с электрон переходит на один из метастабильных уровней Е с временем жизни при комнатной температуре ~3 мс. В рубине реализуется трехуровневая схема создания

инверсии. Нижним лазерным уровнем является основной и поэтому для получения инверсной заселенности необходимо возбудить более половины всех активных частиц, Этот недостаток, приводящий к необходимости энергичной накачки рабочего элемента отчетливо виден в данных табл. 6. Пороговый уровень возбуждения составляет для рубина ~100-1000

Дж (~50 Дж/см).

Рис. 42 Рис. 43

Так как сечение вынужденного перехода в рубине составляет при концентрациях ионов N ~I0 см коэффициент усиления в рубине может достигать К '.

Типичные размеры кристаллов из рубина составляют 5-10 мм в диаметре и 10-15 см в длину и ограничены технологическими трудностями выращивания однородных заготовок, а также обеспечения однородного возбуждения. Дифракционная расходимость для таких размеров кристалла весьма мала ( ~ 10 рад). Однако реальная величина расходимости существенно выше и составляет обычно 10 -10 рад. Это связано с многомодовым характером излучения, а также неоднородным возбуждением и оптическими дефектами кристаллов.

Ограниченные размеры кристалла, естественно, определяют энергетические возможности рубиновых лазеров. Предельную энергию генерации в режиме с модулированной добротностью можно сравнительно просто оценить, полагая, что все активные ионы возбуждены к началу импульса излучения. Тогда энергия в импульсе

3 Дж. Реальные значения энергии излучения в режиме модулированной добротности составляют ~1Дж при длительности импульса 30 нс.

кордные значения энергии гигантского импульса достигают десятков Дж. В режиме свободной генерации полная энергия излучения за время накачки активного элемента ~1 мс может быть несколько выше, так как в силу пучкового характера генерации активные ионы могут испытывать многократное возбуждение и тушение в каждом импульсе накачки. Так как время между двумя соседними пичками составляет ~10мкс, то даже при возбуждении всех ионов в каждом печке полная энергия излучения лазера за время свободной генерации будет меньше 300 Дж. В реальных условиях эта величина, как правило, не превышает 1-100 Дж, т. е. средняя мощность излучения в режиме свободной генерации составляет ~1-10 кВт по сравнению с ~10 МВт в режиме модулированной добротности.

Существенное различие наблюдаемых энергий излучения от проведенных предельных оценок объясняется. рядом факторов. Генерация в трехуровневой системе начинается и оканчивается, когда на верхнем лазерном уровне находится более половины(~0,7) всех активных ионов. Таким образом, коэффициент использования возбужденных ионов в режиме с модулированной добротностью не превышает, как правило, 0,2-0,3. Квантовый КПД рубиновых лазеров довольно высок. Он составляет ~0,7 при комнатной температуре

и приближается к единице по мере охлаждения рубина. Учитывая реальный КПД резонатора

0,5, нетрудно понять тот факт, что реальная энергия излучения в режиме с модулированной добротностью на порядок ниже предельной [(О. 2-0. 3) =0,1-0,15]. Предельная энергия излучения в режиме свободной генерации ограничивается также и прочностью кристаллов, подвергающихся большим механическим нагрузкам из-за большого нагрева, связанного с высоким энерговыделением при накачке.

Полный КПД рубиновых лазеров сравнительно невысок. Учитывая только наиболее заметные потери: в разрядном контуре ( ~0,5), при преобразовании выделившейся в лампе электрической энергии в световую ( ~0,4), в отражателях ( ~0,7), а также неполное использование всего излучаемого лампой спектра ( ~0,12) и тот факт, что не все возбужденные на уровень 3 (см. рис. 42) ионы попадают на верхний лазерный уровень 2 ( ~0,7), эффективность возбуждения рубинового лазера составит

а полный КПД не превысит .

Достижимые в рубиновых лазерах-энергии излучения позволяют проводить с их помощью самые различные технологические процессы (сверление, скрайбирование, термоупрочнение). Эффективность использования импульсных твердотельных лазеров в промышленности в большой степени зависит от возможной частоты следования импульсов генерации. Эта частота определяется скоростью охлаждения кристалла, зависящей прежде всего от его температуропроводности и поперечного размера. Для рубиновых лазеров с характерным радиусом стержней R ~0,3-0,5 см время их охлаждения за счет теплопроводности составляет

(2.2)

где с , р , и - теплоемкость, плотность и теплопроводность рабочего тела соответственно. Таким образом, частота следования импульсов рубинового лазера обычно не превышает 2-5 Гц.

В заключение перечислим еще раз положительные и отрицательные свойства рубиновых лазеров. К первым необходимо отнести: генерацию лазера в видимом диапазоне длин волн и возможность достаточно частого повторения импульсов. Среди недостатков нужно указать высокую энергию накачки, низкий КПД, ограничение энергии излучения на уровне нескольких Дж, плохая расходимость излучения, невозможность реализации стационарного режима генерации и, наконец, технологическую сложность и высокую стоимость изготовления активных элементов.