Лазеры на иттрий-алюминиевом гранате. Реферат. Физика.
🛑 👉🏻👉🏻👉🏻 ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
Похожие работы на - Лазеры на иттрий-алюминиевом гранате
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Нужна качественная работа без плагиата?
Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу Без плагиата!
Лазеры на
иттрий-алюминиевом гранате
Неодимовые лазеры являются самыми популярными из
твердотельных лазеров. В этих лазерах активной средой обычно является кристалл
Y3AI5O12 [сокращенно называемый YAG (yttrium aluminum garnet,
иттрий-алюминиевый гранат)], в котором часть ионов Y3+ замещена ионами Nd3+. Иногда
также используется фосфатное или силикатное стекло, легированное ионами Nd3+.
Типичные уровни легирования для кристалла Nd : YAG составляют порядка 1 ат. %.
Более высокие уровни легирования ведут к тушению люминесценции, а также к
внутренним напряжениям в кристаллах, поскольку радиус иона Nd3+ примерно на 14
% превышает радиус иона Y3+. Этот уровень легирования придает прозрачному
кристаллу YAG бледно-пурпуровую окраску, поскольку линии поглощения Nd3+ лежат
в красной области.
На рис. 1 представлена упрощенная схема энергетических
уровней Nd :YAG. 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 связи Рассела— Сандерса атомной
физики, а символ, характеризующий каждый уровень, имеет вид 2s+1LJ, где S
—суммарное спиновое квантовое число, J— суммарное квантовое число углового
момента, а L — орбитальное квантовое число. Заметим, что разрешенные значения
L, а именно L = О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ..., обозначаются прописными буквами
соответственно S, Р, D, F, G, Н, I, ... .
Рис. 1. Упрощенная схема энергетических уровней кристалла
Nd : YAG.
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 —5
= 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 4Fз/2, откуда идет релаксация на нижние уровни (а именно 4I9/2, 4I11/2
и 4I13/2); этот последний уровень не показан на рис.1. Однако скорость
релаксации намного меньше (т = 0,23 мс), поскольку переход запрещен в
приближении электродипольного взаимодействия (правило отбора для электродипольно
разрешенных переходов имеет вид ΔJ=0 или ±1) и поскольку безызлучательная
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 à I11/2 Кроме
того, уровень 4I11/2 связан быстрой (порядка наносекунд) безызлучательной
релаксацией в основное состояние, а разница между энергиями уровней 4I11/2 и 4I9/2
почти на порядок величины больше, чем кТ. 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 Nd : YAG переход
4F3/2 à
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 R2 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= 1,064 мкм (ближний ИК. диапазон). Однако необходимо
напомнить, что, поскольку подуровни R1 и R2 сильно связаны, при всех
вычислениях используют эффективное сечение σ21= 3,5*10-19 см2 . Следует
также заметить, что, используя в резонаторе лазера подходящую дисперсионную
систему генерацию можно получить на многих других длинах волн, соответствующих
различным переходам: 4F3/2 à
I11/2 ( λ= 1,05—1,1 мкм), 4F3/2 à I13/2 (λ = 1,3 9 мкм— наиболее интенсивная
линия в этом случае) и переходу 4F3/2 à I11/2 (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 Δν = 6,5 см-1 = 195 ГГц при температуре T = 300 К. Это делает
Nd: YAG очень подходящим для генерации в режиме синхронизации мод. Большое
время жизни верхнего лазерного уровня (t = 0,23 мс) позволяет Nd : YAG быть
весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности. Nd : YAG лазеры
могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В обоих случаях
обычно используются линейные лампы в схемах с одноэллипсным осветителем, с
близким расположением лампы и кристалла или с многоэллипсным осветителем. Для
работы в импульсном и непрерывном режимах применяются соответственно ксеноновые
лампы среднего давления (500— 1500 мм рт. ст.) и криптоновые лампы высокого
давления (4— 6 атм). Размеры стержней обычно такие же, как и у рубинового
лазера. Выходные параметры Nd:YAG-лазера оказываются следующими: в непрерывном
многомодовом режиме выходная мощность до 200 Вт; в импульсном лазере с большой
скоростью повторения импульсов (50 Гц) средняя выходная мощность порядка 500 Вт;
в режиме модулированной добротности максимальная выходная мощность до 50 МВт; в
режиме синхронизации мод длительность импульса до 20 пс. Как в импульсном, так
и в непрерывном режиме дифференциальный КПД составляет около 1—3%.
Рассмотрим непрерывный Nd: YAG-лазер. Активной средой
здесь являются ионы Nd3+ в кристалле Y3AI5O12. Ионы Nd3+ замещают в кристалле
некоторые ионы Y3+. Достаточно отметить, что такой лазер работает по
четырехуровневой схеме и его длина волны излучения λ = 1,06 мкм (ближняя
ИК-область спектра). Предположим, что концентрация ионов Nd3+ составляет 1 %
(т. е. 1 % ионов Y3+ замещен ионами Nd3+); это означает, что населенность
основного состояния равна Ng= 6•1019 ионов Nd3+/cм3. При этом значении
концентрации время жизни верхнего лазерного уровня (зависимость времени жизни
от концентрации обусловлена концентрационной зависимостью скорости релаксации
безызлучательного канала) составляет t = 0,23*10-3 с. По сравнению с этим
временем время жизни нижнего лазерного уровня намного меньше. Для того чтобы
вычислить эффективное сечение, заметим, что верхний лазерный уровень в
действительности состоит из двух сильно связанных уровней, разделенных
расстоянием ΔЕ = 88 см-1 (см. рис. 1).
Генерация происходит между подуровнем R2 верхнего уровня
и подуровнем нижнего 4I11/2 лазерного уровня. Сечение этого перехода σ=
8,8 * 10-19 см2. Рассмотрим теперь лазерную систему, показанную на рис. 2, и
предположим, что накачка стержня осуществляется криптоновой лампой высокого
давления с эллиптической конфигурацией осветителя. Типичная кривая зависимости
выходной мощности Р (при многомодовой генерации) от входной мощности Рр,
подводимой к криптоновой лампе, должна иметь линейный вид Экстраполяция
линейного участка кривой дает для пороговой мощности накачки значение Рпор =
2,2 кВт. Используя приведенные выше значения t и σ21, получаем Is = hν/tσ21
= 2,33 кВт/см2 ,таким образом находим Р = 58 (Рр/Рпор — 1), что хорошо
согласуется с экспериментом.
Чтобы можно было сравнить значения пороговой мощности
(Рпор = 2,2 кВт) и дифференциального КПД (n = 2,4%), полученные экстраполяцией
экспериментальных данных, с соответствующими теоретическими значениями, необходимо
знать величину yi. Поскольку хорошее многослойное зеркальное покрытие имеет
коэффициент поглощения меньше 0,5%. мы пренебрегли здесь поглощением зеркала
а2. Если провести несколько измерений пороговой мощности накачки при различных
коэффициентах отражения зеркала R2, то должна получиться линейная зависимость
Рпор от -In R2. Именно такая зависимость и наблюдается в эксперименте
Поскольку внутренние потери известны, то можно найти КПД
накачки Если положить дифференциальный КПД равным 2,4%, то получаем КПД накачки
равное 4,2 %, что вполне соответствует рассматриваемому типу системы накачки .
Если известны полные потери, то можно также рассчитать пороговую инверсию
населенностей (Nc=4,5*1016 Nd3+ ионов/см2).
Вычислим теперь оптимальное пропускание выходного зеркала
в случае, когда накачка в три раза превышает пороговую (х = 3), т. е. когда
входная мощность, подводимая к лампе, составляет 6,6 кВт. хмин = 9,4. Таким
образом получаем (γ2)опт = 0,157, что соответствует величине оптимального
пропускания (Т1)опт =14,5%. Эта величина очень близка к значению пропускания
зеркала, используемого в рассматриваемом примере.
В качестве последней задачи вычислим среднюю выходную
мощность лазера, работающего в режиме одной моды ТЕМ00 при входной мощности
накачки лампы Рр = 10 кВт. Прежде всего находим, что размер пятна на плоском
зеркале резонатора, показанного на рис. 2, составляет 0,73 мм, где R —радиус
кривизны вогнутого зеркала, а L —длина резонатора. Предположим, что для
осуществления генерации на моде ТЕМоо в резонатор вблизи сферического зеркала
помещена круглая диафрагма достаточно малого диаметра 2a, чтобы предотвратить
генерацию на моде ТЕМ10. Следовательно, полные потери этой последней моды
должны достигать по крайней мере величины 0,54, а дифракционные потери из-за
введения диафрагмы должны составлять γd= 0,42. Поэтому дифракционные
потери за полный проход резонатора равны 2γd = 0,84, что при полном проходе
резонатора дает потери Ti = 57 %. Чтобы найти требуемый размер диафрагмы,
заметим, что потери после полного прохода резонатора, показанного на рис.2 ,
оказываются такими же, как и при одном проходе в симметричном резонаторе,
образованном двумя одинаковыми зеркалами с радиусами кривизны R = 5 м,
расположенными друг от друга на расстоянии Ls = 2L = 1 м, и с диафрагмой внутри
резонатора диаметром 2а. Поскольку g'= 0,8 и потери должны составлять 57 %,
необходимо, чтобы N = a2/λLs = 0,5, откуда получаем размер диафрагмы а =
0,73 мм. При такой диафрагме мода ТЕМ00 эквивалентного симметричного резонатора
имеет потери, равные 28 %. Поэтому они также равны дифракционным потерям нашего
резонатора за полный проход, а это означает, потери за один проход равны 0,164.
Таким образом, полные потери моды ТЕМоо возрастают до 0,283 и пороговая
мощность накачки должна быть равной Рпор = 5,2 кВт. Получаем P=1,45.
Nd: YAG-лазеры широко применяются в различных областях,
среди которых : измерение расстояний (в большинстве лазерных дальномеров для
военных целей и прицельных устройств используются Nd : YAG-лазеры); применение
в науке (лазеры с модулированной добротностью); обработка материалов (резка,
сверление, сварка и т. д.); применение в медицине (фотокоагуляция).
В качестве матриц для иона Nd3+ также можно использовать
многие другие кристаллические материалы, такие, как YAL0[YAlO3], YLF[YLiF4] и
GSGG [Gd3Sc2Ga3O12].
Похожие работы на - Лазеры на иттрий-алюминиевом гранате Реферат. Физика.
Дипломная работа по теме Технико-экономические расчеты и обоснования рекомендуемых путей улучшения системы связи на железнодорожном транспорте Республики Казахстан
Курсовая работа по теме Стекло: свойство и применение
Курсовая Работа Содержание Договора Строительного Подряда
Лабораторная работа: Испытание электромагнитного реле тока
Доклад по теме Электромагнитные, электрические и магнитные поля. Статическое электричество
Реферат по теме Беларуская крытыка і літаратуразнаўства
Сервисная Деятельность Реферат
Дипломная работа по теме Исследование системы управления качеством на предприятие ФГУПРТРС
Курсовая Работа На Тему Коммерческие Банки Как Звено Банковской Системы Государства
Как Пишется Эссе По Обществознанию Шаблон
Реферат: Всемирная международная система SWIFT. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа по теме Магнитная восприимчивость, плотность, электропроводность
Курсовая работа: Становлення та розвиток монетарної та фіскальної політики в Україні
Главы Курсовой Работы
Реферат Банковская Система
Сочинение Миниатюра С Использованием Пословицы 5 Класс
Сочинение Мой Любимый Уголок 9 Класс
Реферат: Проектирование усилителя мощности на основе ОУ
Реферат: Функціональні зони міста
Учебное пособие: Классификация и характеристика наиболее распространенных наркотических средств, психотропных, сильнодействующих
Доклад: Резник Илья Рахмиэлевич
Реферат: Nature Vs Nurture Essay Research Paper IT
Курсовая работа: Сравнительный анализ Основных правил работы ведомственных архивов и Основных правил работы