Резонаторы для однородно активированных и градиентных лазерных кристаллов - Физика и энергетика курсовая работа
Главная
Физика и энергетика
Резонаторы для однородно активированных и градиентных лазерных кристаллов
Конструктивные особенности оптических резонаторов для твердотельных лазеров. Перспективы эффективного применения градиентных лазеров. Математические модели, демонстрирующие характер распределения мощности электромагнитного поля в лазерных кристаллах.
посмотреть текст работы
скачать работу можно здесь
полная информация о работе
весь список подобных работ
Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Резонаторы для однородно активированных и градиентных лазерных кристаллов
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ, ЛАЗЕРНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, ГРАДИЕНТНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ, ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ, МИКРОЧИПОВЫЕ ЛАЗЕРЫ, ДИСКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ.
Объектом исследований в данной курсовой работе являются генерационные свойства лазерных кристаллов с градиентным распределением активных ионов, а также проблемы синтеза и оптимизации лазерных систем, содержащих в качестве активного элемента данный тип усиливающих сред.
Целью работы является определение оптимальных параметров градиентных лазерных кристаллов и оптических резонаторов для эффективной и стабильной работы лазерных систем различных форм-факторов, а также поиск и создание математических моделей, позволяющих рассчитывать необходимые характеристики оптических резонаторов и структуру поля лазерного излучения внутри него.
В результате выполнения курсовой работы произведен анализ оптических резонаторов, обладающих свойствами стабилизации пространственно-временных параметров лазерного излучения, а также лазерных кристаллов, применяемых в микрочиповых и дисковых лазеров. Разработаны компьютерные математические модели усиления излучения накачки и трехмерной структуры основной гауссовой моды внутри лазерных кристаллов с произвольным градиентом концентрации.
Thin-DiskLasers, лазеры на тонких дисках
RotaryDiskLasers, лазеры на вращающихся дисках
amplified spontaneous emission, усиленное спонтанное излучение
piezoelectric transducer, пьезоэлектрический преобразователь
увеличение неустойчивого резонатора
эквивалентное число Френеля для неустойчивых резонаторов
угол вращения поля за полный проход в РВП
концентрация ионов-активаторов в атомных процентах
концентрация ионов-активаторов в мольных процентах
дифференциальная эффективность мощности лазерного излучения относительно мощности накачки в процентах
дифференциальная эффективность мощности лазерного излучения относительно поглощенной мощности в процентах
Первый в истории лазер, созданный в 1960 г. Т. Мейманом, содержал в качестве АЭ кристалл рубина в форме цилиндрического стержня длиной около 4 см и диаметром 5 мм. С тех пор и почти до конца 1980-х гг. большинство твердотельных АЭ выполнялось в форме продолговатых стержней с круглым или прямоугольным сечением (слэб-лазеры). После открытия новых видов геометрии активной среды стержневые элементы не сразу потеряли своей актуальности, т.к. оставались непревзойдёнными по генерируемой мощности. Однако современный вектор развития твердотельных лазерных систем направлен в сторону уменьшения габаритов активной среды. В первую очередь, это позволяет быстро и эффективно отводить генерируемое в кристалле тепло, что стабилизирует работу ЛС и продлевает срок ее эксплуатации. С другой стороны, для получения высоких мощностей лазерного излучения на тонких активных элементах приходится серьезно усложнять оптические, механические и электрические блоки ЛС. Своеобразным компромиссом служат ЛС, от которых не требуется высокая мощность излучения, - долгое время данный класс генераторов был представлен в основном только полупроводниковыми лазерами, однако в последние годы компактные твердотельные системы стали появляться в коммерческих оптоэлектронных технических продуктах. Обзор конструкций лазеров такого типа представлен в пункте 2.1.
Среди актуальных разработок твердотельных ЛС киловаттного класса мощности непрерывной генерации следует отметить технические решения, содержащие активный элемент в форме диска. Общим свойством таких систем является то, что данная геометрия кристалла позволяет быстро и равномерно отводить тепло от генерационного блока; в связи с этим максимальная теоретически достижимая мощность генерации ограничена только свойствами активного материала и эффективностью обратной связи в резонаторе. Два основных типа дисковых лазеров (TDLи RDL) описаны в пунктах 2.2 и 2.3 соответственно.
В рамках данной работы была поставлена цель исследовать возможности оптимизации вышеописанных типов ЛС с помощью применения нового типа лазерных кристаллов - кристаллов с продольным градиентом концентрации активной оптической примеси - и специальных оптических резонаторов, ранее использовавшихся в основном только для габаритных стержневых лазеров.
Предыдущие теоретические исследования в данном направлении проводились только для кристаллов алюмоиттриевого граната с иттербием длиной несколько сантиметров в простейшем резонаторе Фабри-Перо, и такая ЛС показала значительный прирост энергетической эффективности по сравнению с аналогами, содержащими однородный активный элемент. Описанию и результатам работы гибкой модели генерации в градиентных лазерных кристаллах посвящен раздел 3 данного курсового проекта.
Не менее важной частью любого лазера является система обратной связи. На сегодняшний день в вышеперечисленных ЛС применяются резонаторы с параметрами, подобранными для получения максимальной мощности генерации из малого объема активной среды. Однако не так много внимания уделяется вопросам стабилизации излучения пассивными методами, т.е. настройкой свойств резонатора. Более подробное рассмотрение этого вопроса изложено в разделе 1 этой работы.
1. Оптические резонаторы для твердотельных лазеров с градиентными активными элементами
Основной проблемой для лазеров с кристаллическими активными элементами является генерация тепла в активной среде. Большие размеры АЭ не позволяют эффективно отводить температуру из всего объема кристалла, что приводит к механическим деформациям, которые, в свою очередь, вызывают появление аберраций волнового фронта и оптической анизотропии. Вследствие этого лазерный пучок приобретает сильную угловую расходимость, многократно превышающую дифракционный предел, и более высокую степень деполяризованности излучения по своему сечению.
Для борьбы с термонаведеннымдвулучепреломлением чаще всего используются резонаторы, содержащие анизотропные элементы, которые изменяют плоскость поляризации излучения при проходе через них. В качестве примера таких элементов можно привести волновые пластинки, ротаторы из оптически активных материалов (например, кварца), а также магнитооптические вращатели на эффекте Фарадея. Этот метод компенсации разности фаз для ортогональных состояний поляризации излучения может быть довольно эффективным, однако внесение в резонатор дополнительных деталей неизбежно ведет к росту оптических потерь и усложнению юстировки системы. Альтернативой является использование адаптивных зеркал с регулируемой при помощи PZTкривизной поверхности. Практическая реализация таких систем с достаточной точностью характеристик также является довольно непростой задачей. Кроме того, существуют кристаллические матрицы, обладающие сильным естественным двулучепреломлением (YAP, ванадаты, фториды), по сравнению с которым термический эффект малозаметен. Такие среды обычно вносят амплитудные неоднородности в сечение пучка, т.к. в большинстве из них эффективность процессов поглощения и генерации излучения с ортогональными состояниями поляризации различается, иногда значительно. Это свойство может являться как достоинством, так и недостатком, в зависимости от целей использования лазера.
Подавление термоиндуцированных оптических аберраций в кристаллах не представляется возможным, однако с помощью компенсирующей оптики можно минимизировать их влияние на процесс генерации и форму лазерного пучка. Искажения волнового фронта в кристалле в общем случае могут быть сложны и асферичны, однако зачастую их можно свести к действию квадратичной собирающей (кроме кристаллов с, как Nd:YLF) линзы, оптического клина и появлению астигматизма. Подбор соответствующих фазовых корректоров может частично ослабить данные аберрации в заданном температурном режиме; однако температура АЭ не является постоянной величиной как в среднем по объему, так и локально. При этом флуктуации параметров могут быть как случайными и малыми по амплитуде, так и стабильно изменяющимися в значительном диапазоне значений (например, постепенное увеличение средней температуры кристалла).
Влияние небольших возмущений можно компенсировать с помощью динамически стабильных резонаторов. Этим термином называют класс резонаторов, в которых зависимость коэффициента потерь основной моды от оптической силы тепловой линзы г(p T ) имеет ярко выраженные минимумы (рисунок 1). Точный аналитический вид этой функции зависит от большого числа параметров резонатора и всех элементов, содержащихся в нем, а также от модового и временного режимов работы ЛС. При этом количество экстремумов, согласно теоретической модели, представленной в [1], не превышает трех, которые в определенном случае могут слиться в единый глобальный минимум удвоенной ширины (рисунок 1, а и б). Данное предельное условие, записанное в обозначениях, приведенных на рисунке 2, выглядит следующим образом:
Рисунок 1 - Зависимость г(p T ) для динамически стабильных резонаторов; а - общий случай; б - предельная стабильность
На этой схеме совокупности оптических элементов двух плеч резонатора представлены в виде эквивалентных линз с оптической силой p 1 и p 2 (плечо 2 содержит выходную апертуру ЛС). Для большей общности анализа все величины взяты в комплексном виде, хотя для оценочных расчетов большинства резонаторов условие (1) представимо в действительных числах и имеет более простые формы.
Рисунок 2 - Обобщенная схема линейного резонатора
В приближении одномодовой непрерывной генерациии без учета всех искажений кроме тепловой линзы ширина единичной зоны динамической стабильности (рисунок 1, а) примерно равна:
Основным достоинством данного типа резонаторов является то, что они реагируют непосредственно на изменение тепловой линзы, практически вне зависимости от того, какой именно процесс вызвал ее дестабилизацию. Этим фактором может быть, например, флуктуация мощности накачки или потока хладагента. Если заменить АЭ с однородным профилем концентрации активаторов на кристалл с их градиентным распределением, но при этом средняя по кристаллу разность силы тепловой линзы между ними не превысит , то режим генерации останется почти неизменным.
Динамически стабильные резонаторы могут иметь как устойчивую, так и неустойчивую конфигурацию. Однако в случае неустойчивых резонаторов для непрерывных лазеров труднее обеспечить одномодовую генерацию при выполнении условия (1). Если же многомодовая структура пучка является приемлемой, то выбор неустойчивых резонаторов более предпочтителен, т.к. они характеризуются меньшей чувствительностью к разъюстировкам (в т.ч. и к эквивалентным им неоднородностям в АЭ) и большими размерами основной моды (т.е. более полным и однородным заполнением активной среды полем). Также с их помощью возможно добиться расходимости, стремящейся к дифракционному пределу, для многомодовых пучков, что принципиально неосуществимо в устойчивых резонаторах.
Основными параметрами, характеризующими неустойчивый резонатор, являются его увеличение M и эквивалентное число Френеля N F экв . Увеличение Mпоказывает, во сколько раз вырастает диаметр пучка за полный проход резонатора, и определяет долю полезных потерь на излучение:
число Френеля используется в качестве критерия применимости параксиального приближения для анализа резонатора: при ¦N F экв ¦?10 геометрическая оптика дает верные результаты, а влияние дифракционных эффектов незначительно. Не вдаваясь в подробную аргументацию, изложенную в фундаментальном труде по теории неустойчивых резонаторов [2], примем за оптимальные следующие значения указанных величин: 1<¦M¦?1,5, ¦N F экв ¦?10. В явном виде через параметры резонатора их можно выразить в таком виде:
где L рез - оптическая длина резонатора;
R i - радиус кривизны i-ого зеркала, i=1, 2;
где aвых - характерный поперечный размер выходного зеркала;
A, B - элементы лучевой ABCD-матрицы полного обхода резонатора; произведение A•B пропорционально Lрез.
Когда изменения параметров фазовых аберраций имеют амплитуду, превышающую границы зоны динамической стабильности, необходимо переходить к более гибким схемам компенсации. Одним из примеров такой конструкции являются резонаторы с вращением поля(РВП): за счет вращения волнового фронта относительно неподвижного АЭ при проходах сквозь него достигается взаимное усреднение неоднородностей среды и поля, т.к. выделенный участок пучка излучения попеременно проходит через разные области активной среды, имеющие случайно отличающиеся параметры. Таким образом, в РВП появляется дополнительная степень свободы ЛС: б- угол вращения поля за полный обход резонатора.
Анализ влияния этой переменной на характер аберраций проведем для частного случая неустойчивых резонаторов, сравнив приращение оптической длины L для конфигураций с поворотом пучка и без него. Для перехода к другой геометрии резонатора параметр Mследует заменить на соответствующую ему величину, определяющую полезные потери в резонаторе.
В общем случае неоднородности распределяются неравномерно по длине кристалла, и величина ДL является также функцией продольной координаты. Однако в данном случае это можно не учитывать, т.к. оптический путь вдоль оси АЭ для обычного и вращающегося луча одинаков, разность хода набегает только за счет различий в поперечных сечениях. Таким образом, точность компенсации в случае РВП хуже, чем в динамически стабильных резонаторах, но лучше, чем в других резонаторах, работающих в условиях больших флуктуаций параметров без дополнительных корректоров.
Заменим картину оптического пути пучка, сделавшего полных проходов по неустойчивому резонатору, на распространение по эквивалентному волноводу (рисунок 3; каждый полный проход резонатора выделен вертикальными пунктирными линиями). После k-ого прохода пучок занимает все поперечное сечение резонатора радиусом и покидает его в виде полезного излучения (точка А); на момент окончания (k-1)-ого прохода пучок имел радиус (точка B), а в точке C -и т.д. до . Таким образом, полная добавка к оптическому пути , появляющаясяиз-за присутствия неоднородностей в поперечном сечении, будет складываться из функций вида:
Рисунок 3 - Волновод, эквивалентный телескопическому резонатору
Далее, представим зависимость коэффициента преломления от радиальной координаты в виде ряда
Подставив (6) в (5) и вычислив суммы всех рядов, получим итоговое разложение :
Параметр показывает, во сколько раз сильнее накапливается в неустойчивом резонаторе аберрация k-ого порядка по сравнению с одним свободным проходом пучка по активной среде. Точный вид зависимости аберрационного коэффициента различается для разных конфигураций резонаторов, но имеет общий характер (рисунок 4) - с увеличением Mи kвлияние данной аберрации уменьшается.
Рисунок 4 - Зависимость b k (M) для телескопического резонатора
Аналогичный расчет для РВП дает следующие результаты:
где - азимутальный индекс аберрации (- радиальный, по-прежнему).
Из (10) следует, что влияние аберраций в РВП не больше влияния тех же искажений в обычном неустойчивом резонаторе, а за счет подбора угла вращения поля может быть уменьшено. Условие минимума :
Следовательно, существует такой угол б, при котором аберрация выбранного типа минимальна. Например, для (астигматизм), оптимальное значение угла вращения составляет 90°. На практике, в активной среде всегда присутствует более чем один тип искажений, которые только приближенно соответствуют математическим моделям, а рост температуры кристалла приводит к непрерывному изменению оптической силы аберраций. Поэтому угол нужно подбирать экспериментально; его несложно динамически регулировать с помощью простого вращения одного из отражательных элементов резонатора (рисунок 5).
Если в формулах (6), (7) и (9) принять коэффициент преломления комплексной величиной , то для всех результатов действительная часть решения будет соответствовать фазовым аберрациям, а мнимая - амплитудным неоднородностям, т.е. градиенту усиления в активной среде. Экспериментально проверено, что в РВП одинаково сглаживаются оба вида этих нестабильностей.
Условием возникновения мод в оптических резонаторах любой конфигурации является существование в них не менее одного самосопряженного лучевого контура, т.е. замкнутой траектории луча, охватывающей все плечи резонатора. Матричный анализ свойств РВП показал, что самосопряженные пучки с ненулевым вращением волнового фронта могут существовать исключительно в резонаторах с четным количеством отражений на полном проходе и неплоским лучевым контуром. Данная схема может реализоваться двумя способами: объемные кольцевые резонаторы и резонаторы с уголковыми отражателями, разъюстированными в азимутальной плоскости на угол (рисунок 5).
Рисунок 5 - Базовая структура схем основных типов РВП; слева направо: объемный кольцевой резонатор, резонатор с зеркальными ретроотражателями, резонатор с призменными ретроотражателями
Каждый из уголковых отражателей представляет собой пару сцепленных ребрами зеркал, а два уголковых отражателя образуют вместе четырехзеркальный кольцевой резонатор. Чаще всего применяются двугранные (призмы Порро, призмы-«крыши» и др.) и трехгранные (триппель-призмы, они же «cornercube») схемы соединения. Характерным качеством и тех, и других является крайне малая чувствительность к смещениям оптической оси резонатора относительно положения отражателя, вплоть до десятков угловых минут - форма пучка излучения при этом почти не изменяется, а его проекция лишь немного сдвигается вслед за оптической осью. При этом двугранные отражатели неразъюстируемы только в плоскости, перпендикулярной своему ребру при прямом угле, а в плоскости, содержащей это ребро, ведут себя как обычные зеркала. Отражатели с тремя взаимно перпендикулярными гранями не имеют выделенного направления для падающих лучей, а потому гораздо более устойчивы к отклонениям их хода в резонаторе. Однако на практике они почти не используются из-за того, что вносят существенные, сложно устранимые изменения в поляризацию излучения: сечение пучка разбивается на шесть секторов с тремя попарно разными состояниями поляризации.
В области длин волн видимого и ближнего инфракрасного диапазона, как правило, применяются уголковые отражатели из оптического стекла (рисунок 5, крайний справа).
В кольцевых резонаторах с вращением поля обычно используют не более четырех зеркал, т.к. более сложные схемы в данном случае не имеют практических преимуществ. При этом отражатели располагаются либо в вершинах тетраэдра (рисунок 6, слева), либо все лежат в одной плоскости, но среди них содержатся элементы с полным внутренним отражением на проходе, такие как призмы Дове (рисунок 6, справа)
Рисунок 6 - Конструкции кольцевых РВП
В общем случае собственная поляризация излучения в РВП является эллиптической, причем с увеличением угла вращения поля растет вклад этого состояния в поляризационную картину резонатора, содержащего АЭ. Когда достигает нескольких десятков градусов, эффективно подавляется деполяризация даже от сильного термоиндуцированного двулучепреломления.
Наилучшими свойствами среди обычных резонаторов обладают неустойчивые резонаторы, однако удачно подобрать их параметры под размеры АЭ данных масштабов удается не всегда
Флуктуации параметров и искажения структуры активной среды и волнового фронта, в основном связанные с температурными эффектами, вынуждают применять для твердотельных лазеров с АЭ большого объема схемы резонаторов с корректирующими свойствами.
Для подавления малых возмущений системы подходят динамически стабильные резонаторы - они способны эффективно противодействовать случайным помехам генерации, снижая влияние фазовых шумов и поддерживая устойчивыми параметры основной моды.
Резонаторы с вращением поля обладают дополнительной степенью свободы - углом вращения волнового фронта. Дополнительно оптимизируя свойства неустойчивых резонаторов с помощью данного параметра, можно добиться одновременной компенсации фазовых, поляризационных и амплитудных неоднородностей, а также низкой чувствительности к разъюстировке и деформациям. Для этого требуется специальная геометрия расположения отражателей и их не совсем обычная реализация.
Применение этих средств позволит отсечь часть побочных эффектов градиентного легирования, таких как неравномерные генерация тепла и искажения кристаллической решетки.
2. Обзор твердотельных лазерных систем
2.1 Микрочиповые лазеры (микролазеры)
Благодаря высокой плотности ионов-активаторов характерной чертой многих твердотельных АЭ является высокий коэффициент усиления (относительно большинства жидкостных и газовых активных сред). Таким образом, эффективную лазерную генерацию можно осуществить с помощью миниатюрных АЭ, даже не применяя сложные схемы многопроходных резонаторов (как в случае TDL, пункт 2.2) или дополнительные механические устройства управления ЛС (RDL, пункт 2.3). Первые попытки создания компактных твердотельных лазеров относятся к началу 1980-х гг. [3], однако дальнейшее обширное развитие эта проблема получила только спустя несколько лет [4], когда стали доступны эффективные миниатюрные системы диодной накачки.
За последующие годы были исследованы свойства множества твердотельных активных сред, как монокристаллических, так и лазерных стекол и керамики. Результатом этих исследований стало появление большого числа компактных ЛС, работающих в диапазоне длин волн от 190 до 5000 нм [5] (засчет нелинейных преобразований частоты); мощность излучения, генерируемого в непрерывном режиме, может достигать почти 10 Вт[6, 7]. В данном разделе курсовой работы будут рассмотрены практические схемы реализации компактных ЛС на кристаллических АЭ и проанализированы их основные характеристики.
2.1.1 Общие принципы реализации компактных лазерных систем
На сегодняшний день все компактные ЛС можно разделить на две категории по способу реализации резонатора:
1) системы с дискретными оптическими элементами (зеркалами, поляризаторами, фильтрами, преобразователями, модуляторами);
2) системы, в которых все элементы резонатора интегрированы вместе с АЭ в единый твердотельный чип.
Строгой классификации в этой области не существует, но ЛС первого типа обычно именуют микролазерами, а ЛС второго типа - микрочиповыми лазерами. Различия в строении приводят к тому, что микролазеры проигрывают в компактности микрочиповым лазерам, но имеют бульшую гибкость характеристик (в частности, проще осуществляется непрерывная перестройка длины волны генерации в пределах контура усиления). Характерные продольные размеры АЭ в обоих типах компактных лазеров находятся в пределах 0,1-5 мм, причем нижняя граница связана с техническими сложностями обработки кристаллов тоньше 100 мкм.
Рисунок 7- Строение линейного микрочипового лазера
На рисунке 7 представлена типичная схема линейного микрочипового лазера: накачка осуществляется блоком лазерных диодов (в данном примере изображена продольная накачка); на активный кристалл длиной L нанесены диэлектрические покрытия - просветляющие поверхность АЭ для длины волны излучения накачки и, в то же время, создающие высокую обратную связь на длине волны генерации (в данном примере грани кристалла вместе с диэлектрическими зеркалами образуют плоскопараллельный резонатор). Также отполированные боковые грани кристалла могут самостоятельно выступать зеркалами резонатора без каких-либо диэлектрических покрытий.
Увеличить оптический путь лучей в активной среде без потери компактности ЛС можно с помощью явления полного внутреннего отражения (ПВО), что нашло применение в микрочиповых лазерах волноводного типа, простейший пример которого представлен на рисунке. Активная среда толщиной D ~ 20-200 мкм находится между слоями материалов с меньшими коэффициентами преломления, благодаря чему легко осуществить известные условия для ПВО. В более сложных схемах применяются многослойные оболочки, двойные слои активной среды, а также модуляция толщины и ширины активной среды [7]. За счет данных схем можно значительно повысить мощность генерируемого излучения, однако при этом серьезно ухудшается качество лазерного пучка, вследствие отсутствия возможности эффективного охлаждения активной среды. Пример строения простейшего волноводного микролазера представлен на рисунке 8.
Рисунок 8- Строение и виды накачки микрочипового лазера волноводного типа
Резонаторы микролазеров могут иметь довольно сложные конфигурации и содержать большое число оптических элементов, сохраняя при этом размеры от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. На рисунке 9 приведен пример ЛС, в которой толщина АЭ составляет 1,5 мм, а выходное зеркало отделено от него промежутком, длина которого регулируется с помощью PZT (пьезоэлектрического преобразователя) - изменение длины резонатора ведет к перестройке частоты генерации.
Рисунок 9- Пример микролазерной системы
Рассмотренные выше в данном подразделе типы компактных ЛС обладают несколькими общими свойствами:
- вследствие малых продольных размеров резонаторов микрочиповых и микролазеров существует возможность получения одночастотной генерации - одна из собственных частот резонатора подбирается под центр контура усиления, соседние частоты резонатора в контур не попадают. Данное свойство может сохраняться даже при более чем 20-кратном превышении порога генерации;
- вследствие малых поперечных размеров АЭ генерация обычно происходит на низшей поперечной (гауссовой) моде, при этом высокая эффективность заполнения активной среды полем достигается даже в устойчивых резонаторах;
- вследствие малых поперечных и продольных размеров АЭ и относительно невысоких рабочих мощностей температурный градиент в них быстро выравнивается, и термонаведенные искажения оказывают меньшее влияние на свойства лазерного излучения. Некоторые микро-ЛС могут стабильно работать даже без охлаждения.
2.1.2 Факторы, влияющие на генерацию
Зачастую самым сложным вопросом при расчете миниатюрного твердотельного лазера является поиск компромисса между размерами активной среды (особенно продольными), концентрацией ионов-активаторов и энергетическими характеристиками системы. Например, для Nd:YAG с оптимальной концентрацией неодима в 1,1% ат. Глубина поглощения излучения накачки составляет порядка 1 мм (причем накачка титан-сапфировым лазером в разы эффективнее диодной, но это ухудшает компактность системы), что накладывает ограничение на толщину АЭ для генерации заданной мощности. Кроме того, во многих лазерных кристаллах из-за сильной кросс-релаксации оптимальные значения концентрации активатора невысоки. Таким образом, большее поглощение в высоколегированных элементах не обеспечивает прирост усиления - тот же широко применяемый монокристаллический Nd:YAGи с этой точки зрения обладает далеко не лучшими свойствами. Неправильный подбор концентрации может привести к тому, что с увеличением длины кристалла выходная мощность будет не расти, а уменьшаться.
Все это делает микролазеры очень чувствительными к изменениям концентрации ионов-активаторов, для каждого конкретного АЭ требуется отдельный анализ. Для компенсации малых размеров АЭ в микрочиповых лазерах применяют не громоздкие многопроходные схемы, как в дисковых лазерах (пункт 2.2), а выходные зеркала с высоким коэффициентом отражения (R ~ 90-99%). При этом изменение глубины обратной связи даже на 1% может полностью преобразить картину генерации, как в энергетических характеристиках, так и в модовом составе.
2.1.3 Лазерные кристаллы в компактных лазерных системах
Как уже было упомянуто, исследования микрочиповых лазеров и микролазеров активно ведутся уже более 20 лет и еще далеки от завершения. В первую очередь решаются вопросы оптимизации ЛС, а именно дальнейшее уменьшение габаритов, повышение эффективности и мощности лазерной генерации, а также продолжаются поиски новых активных сред, с помощью которых можно расширить рабочий спектральный диапазон данного класса твердотельных лазеров.
В данном подразделе будут рассмотрены компактные ЛС на основе монокристаллических активных сред с длиной АЭ не более 5 мм, созданные для получения непрерывного и квазинепрерывного лазерного излучения в среднем инфракрасном диапазоне, а также некоторые особенности генерации используемых лазерных материалов. Отдельный обзор будет посвящен наиболее подходящему для экспериментов с неравномерным легированием кристаллуYb:YAG.
2.1.3.1Компактные лазерные системы с длиной волны более 1350 нм
ЛС, работающие в диапазоне от 1350 до 1500 нм, представлены практически только лазерными InGaAsP-диодами. Эффективная генерация компактныхNd:YAG-лазеров с л изл =1,44 мкм в непрерывном режиме пока не достигнута.
Лазеры с длиной волны 1500-1600 нм действуют на основном лазерном переходе трехвалентного иона эрбия (структура его энергетических уровней изображена на рисунке 10). Накачка чаще всего осуществляется в полосе 970-980 нм до состояния 4 I 11/2 , с которого происходит многофононная релаксация на мультиплет 4 I 13/2 , являющегося в данном процессе верхним лазерным уровнем. КПД генерации невысок из-за квазитрехуровневой схемы генерации, немалого квантового дефекта и слабого поглощения излучения накачки. Два последних обстоятельства можно исправить, перейдя к прямой накачке в диапазоне 1,45-1,48 мкм. Однако на практике чаще добиваются сенсибилизации люминесценции с помощью сильного легирования матрицы ионами иттербия, лучше поглощающих излучение с длиной волны около 980 нм. Предельная концентрация эрбия составляет не более 3% ат. из-за быстрого нарастания процессов кросс-релаксации между ионами Er 3+ .
Рисунок 10- Схема энергетических уровней иона Er 3+
Как показали исследования, наибольшая эффективность генерации на л изл =1,5-1,6 мкм достигается во фторидных стеклах с эрбием. Тем не менее, были опробованы и кристаллические микрочиповые Er:Yb:YCOB-лазеры и Er:YVO- и Er:Yb:YVO-микролазеры. Оптимальные параметры кристаллов и резонаторов пока не найдены, поэтому дифферециальная эффективность данных ЛС на сегодняшний день не превышает 20% нак , а пиковая мощность составляет около 100 мВт.
Лазерные кристаллы, легированные ионами тулия и/или гольмия успешно применяются для генерации излучения с длиной волны около 2 мкм (схема лазерных переходов представлена на рисунке 11).В
Резонаторы для однородно активированных и градиентных лазерных кристаллов курсовая работа. Физика и энергетика.
Курсовая работа по теме Объект и предмет политических исследований
Реферат: Понятие доли рынка. Экспресс прогноз доли рынка. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат по теме Фондовые биржи, виды биржевых сделок
Реферат: Миланский и римский пероды творчества Браманте. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа по теме Особенности становления, формирования, развития человеческой личности
Поисково Спасательные Работы Диссертации
Дипломная Работа По Дефектологии
Договор Коммерческого Найма Жилого Помещения Реферат
Пришвин Собрание Сочинений Терра Купить
Контрольная работа по теме Управление инвестиционными проектами
Курсовая работа: Анализ производиельности труда на предприятиях ТЭК. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа по теме Технологические инновации на предприятии
Реферат: Анализ и прогнозирование фонда труда и заработной платы 2
Курсовая работа: Екологічне право як галузь права
Политические права и свободы, их характеристика, практика реализации в рф
Курсовая работа по теме Особенности онтогенетической рефлексии у подростков
Линейные Электрические Цепи Постоянного Тока Реферат
Контрольная Работа По Технологии С Ответами
Реферат: Graduation Essay Research Paper Graduation 2002I remember
Реферат: Краткая история ипатьевской обители
Незаконный оборот оружия - Государство и право дипломная работа
Совершенствование технологии выравнивания озимой пшеницы в частном хозяйстве - Сельское, лесное хозяйство и землепользование дипломная работа
Правительство Кыргызской Республики: состав, порядок формирования, компетенция - Государство и право дипломная работа