лаба 3 Котенков А.А

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

Университет им. В. И.Ульянова (Ленина)

«ЛЭТИ»

Кафедра микроэлектроники

Отчет по лабораторной работе №1

«Спектры поглощения материалов активных элементов твердотельных лазеров»

Группа: 8202

Преподаватель:

Студенты: Котенков А. А.

Вильчинский С. А.

Бетехтина А. Е.

Санкт-Петербург.

2011г.

Цель работы: исследование спектров оптического поглощения материалов, используемых в качестве активных элементов твердотельных лазеров.

Схема измерительной установки.

Для исследования оптического поглощения в работе используется универсальный спектрометр SPECOL-11, позволяющий проводить исследование пропускания, отражения, флуоресценции и ряда других процессов. Прибор оснащён микропроцессором для автоматизации измерений.

Оптическая схема установки изображена на рис.1. Источником оптического излучения служит галогенная лампа 1, испускающая свет в широком диапазоне длин волн. Для получения монохроматического излучения используется решеточный монохроматор 2. Излучние из выходной щели монохроматора через набор сменных диафрагм 3, предназначенных для ограничения апертуры пучка, фокусируется линзой 4 через каретку для образцов 5 и фильтр 6 на один из сменных вакуумных фотоэлементов 7.

Рис.1. оптическая схема установки для измерения спектров пропускания

Обработка результатов.

Из-за большого количества расчетов, работу было решено оформлять с помощью компьютера .

1. Приведем результаты измерения коэффициента пропускания и расчеты показателя поглощения исследованных образцов в виде таблиц и графиков. При этом показатель отражения считаем не зависящим от частоты излучения и определим его исходя из коэффициента преломления веществ:

R=0,0758

n=1.76

d=1

λ, нм.	340	345	350	355	360	365	370	375	380	385	390	395	400	405	410	415
Т, %	17,5	20	20,9	21	21,1	22,6	25,1	27,9	30,3	32,8	36,1	66,2	69,3	72,3	74,1	75,1
Кω	2,26	2,07	2,01	2	1,99	1,89	1,74	1,59	1,48	1,36	1,22	0,36	0,29	0,23	0,2	0,18
λ, нм.	420	425	430	435	440	445	450	455	460	465	470	475	480	485	490	495
Т, %	74,6	74,6	72,3	70,3	71,2	69,4	68,4	66,7	65,6	65,4	64,7	60,7	58,1	54,4	52,2	48,9
Кω	0,19	0,19	0,23	0,27	0,25	0,29	0,31	0,35	0,37	0,38	0,39	0,48	0,54	0,64	0,7	0,79
λ, нм.	500	505	510	515	520	525	530	535	540	545	550	555	560	565	570	575
Т, %	46,4	44,4	43,9	43,3	41,6	39,2	37,3	35,7	34,3	33,6	33,9	33,3	33	33,8	33,3	32
Кω	0,87	0,93	0,95	0,96	1,02	1,11	1,18	1,24	1,3	1,33	1,31	1,34	1,35	1,32	1,34	1,4
λ, нм.	580	585	590	595	600	605	610	615	620	625	630	635	640	645	650	655
Т, %	29,1	24	20,1	16,1	14,4	17,8	21,4	26,2	32,8	80,3	80,6	80,2	80,9	78,6	77,3	79,2
Кω	1,53	1,81	2,06	2,38	2,54	2,24	1,97	1,68	1,36	0,08	0,08	0,08	0,07	0,11	0,14	0,1
λ, нм.	660	665	670	675	680	685	690	695	700
Т, %	79,1	79,9	80,2	80,2	79,2	77,9	73,1	67,3	60
Кω	0,1	0,09	0,08	0,08	0,1	0,13	0,22	0,33	0,5

1. Идентифицируем полосы поглощения с соответствующими переходами между энергетическими уровнями исследованного рубина:

Лазер на рубине работает по трехуровневой схеме первого типа. Поглощение излучения накачки происходит в двух широких полосах U и Y с максимумами при 0,34 мкм и 0,55 мкм, соответствующих оптическим переходам из основного состояния ⁴А₂ в состояния ⁴F₁ и ⁴F₂ (Е₀→Е₂).

Экспериментально максимум полосы поглощения U приходится на λ=0,415 мкм, а полосы поглощения Y приходится на λ=0,64 мкм. После накачки происходит безизлучательная релаксация Е₂→Е₁на уровни ²Е, с которых происходят вынужденные оптический переходы Е₁→Е₀ с генерацией излучения в линиях R₁(694,3 нм) R₂(692,9 нм).

Экспериментально, после λ=0,69 мкм наблюдается незначительное повышение показателя поглощения.

нтифицируем полосыучка, фокус00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000Для стекла:

λ, нм.	500	505	510	515	520	525	530	535	540	545	550	555	560	565	570	575
Т, %	15,6	15,9	16,9	16,4	16,6	17	18,3	17,5	19,8	17,6	17,6	17,9	18,9	19,6	19,3	20,3
Кω	1,79	1,77	1,71	1,74	1,73	1,7	1,63	1,67	1,55	1,67	1,67	1,65	1,6	1,56	1,58	1,53
λ, нм.	580	585	590	595	600	605	610	615	620	625	630	635	640	645	650	655
Т, %	20,3	20,5	20,1	20,3	20,1	19,7	18,8	19,3	18,1	21,3	21,9	21,8	21,4	21,5	20,3	20,6
Кω	1,53	1,52	1,54	1,53	1,54	1,56	1,6	1,58	1,64	1,48	1,45	1,46	1,47	1,47	1,53	1,51
λ, нм.	660	665	670	675	680	685	690	695	700	705	710	715	720	725	730	735
Т, %	20,4	21,9	20,7	20,5	20,7	21,3	21,3	20,5	20,8	21,8	21,3	22	21,3	22,3	21,1	23,1
Кω	1,52	1,45	1,51	1,52	1,51	1,48	1,48	1,52	1,5	1,46	1,48	1,45	1,48	1,43	1,49	1,4
λ, нм.	740	745	750	755	760	765	770	775	780	785	790	795	800
Т, %	23	23,1	23,4	22,2	22,1	22,1	21,3	22,3	23	22,8	22,9	21,9	23,3
Кω	1,4	1,4	1,38	1,44	1,44	1,44	1,48	1,43	1,4	1,41	1,41	1,45	1,39

2. Идентифицируем полосы поглощения с соответствующими переходами между энергетическими уровнями исследованного неодима:

Накачка неодимового лазера происходит с помощью оптических переходов с уровня ⁴I_9/2 (Основное энергетическое состояние Е₀) на вышележащие уровни F и P (Е₃). Канал генерации разделен по четырехуровневой схеме, что снижает пороговое значение энергии накачки.

Экспериментально, максимумы поглощения приходятся на длины волн:

λ=0,540 мкм

λ=0,585 мкм

λ=0,665 мкм

λ=0,745 мкм

3. Определим процентное содержание Cr₂O₃ и концентрацию ионов хрома в образце рубина. Плотность рубина равна 3,3910³ кг/м³:

%

4. Рассчитаем коэффициенты Эйнштейна В₀₂ для соответствующих переходов. Коэффициент преломления рубина n=1,76.

Для полосы U:

Для полосы Y:

5. Рассчитаем коэффициент Эйнштейна А₂₀ из соотношения:

6. Рассчитаем интегральное поперечное сечение поглощения χ для Cr³⁺ в рубине:

Вывод:

9