Раздел 4 Классификация технологических лазеров лекция 11

В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Наиболее широкое промышленное применение получили в основном два класса технологических лазеров: твердотельные лазеры с оптической накачкой и газоразрядные СО₂-лазеры.

Рассмотрим кратко особенности конструкции и работы некоторых основных типов лазеров.

4.1 Твердотельные лазеры

В активной среде твердотельного лазера инверсная населенность создается в активных ионах примесей, которые специально вводят в твердотельную матрицу. В качестве таких ионов используют ионы переходных металлов (хром, марганец, никель, кобальт) или редкоземельных элементов.

Рабочий активный элемент технологического лазера должен удовлетворят ряду требований: он должен отличаться высокой теплопроводностью, обеспечивать большой коэффициент усиления, быть оптически однородным, механически прочным, термостойким, прозрачным для излучения накачки, а также допускать механическую обработку.

4.1.1 Лазер на рубине

Рубиновый лазер был первым квантовым генератором света (создан Мейманом в 1960 г.). Рабочим веществом является рубин – кристалл оксида алюминия А1₂О₃ (корунд), в котором небольшая часть ионов алюминия (≈ 0,05%) при выращивании замещена ионами хрома Сг⁺³. Сам корунд в видимой области прозрачен, и основную роль в работе лазера играют ионы хрома.

Для лазеров монокристаллы рубина выращивают искусственно. Смесь А1₂О₃ и Сг₂О₃ в виде пудры сыплется сверху на выращиваемый кристалл рубина, верхняя кромка которого находится в кислородно-водородном пламени горелки с температурой 2050 °С, достаточной для плавления рубина. При медленном опускании кристалла расплавленный слой смеси выходит из пламени и кристаллизуется. Таким путем удается получать монокристаллы рубина в виде стержней длиной до 0,5 м и диаметром до 5 см.

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме. Энергетические уровни рубина показаны на рис. 4.1. Вследствие замещения части ионов А1⁺³ ионами Сг⁺³ в решетке А1₂О₃, в кристалле возникают две полосы поглощения: одна – в зеленой, другая – в голубой части спектра.

Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг⁺³: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг⁺³ достигает 1%.

Н

Рисунок 4.1 –  Схема энергетических

уровней рубина

аряду с широкими голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е₁ и , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Более интенсивна линия λ = 694,3 нм. По этой причине генерация осуществляется в большинстве случаев на этой длине волны. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения с λ = 692,8 нм и малый – для λ = 694,3 нм.

При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается (с этим связана розовая окраска рубина). В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки белого света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Длительность импульса около 1 мс. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Излучение лампы поглощается ионами Сг⁺³, переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сг⁺³ очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е₁ и (рис.4.1). При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки. Время жизни ионов хрома в возбужденных состояниях Е₁, составляет несколько миллисекунд, что на несколько порядков величины превышает типичные времена жизни возбужденных состояний (10^-7 – 10^-8 с). Возбужденные уровни со столь большим временем жизни называют метастабильными. В процессе импульса накачки на уровнях Е₁ и накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е₀.

Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина стержня L = 5 – 20 см, диаметр d = 0,5 – l см.

Д

Рисунок 4.2 –   Рубиновый стержень со спиральной лампой-вспышкой

ля оптической накачки рубинового лазера используют две различные конфигурации ламп. На рис. 4.2 лампа-вспышка имеет форму спиральной трубки, обвивающейся вокруг рубинового стержня; при этом свет попадает в активную среду либо непосредственно, либо после отражения от зеркальной цилиндрической поверхности, в которую заключен этот блок. В конфигурации, показанной на рис. 4.3, лампа имеет форму цилиндра (линейная лампа) и помещается вместе с кристаллом рубина в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

Рисунок 4.3 –   Схема накачки рубинового лазера линейной лампой:

1 – активный элемент, 2- лампа-вспышка, 3 - эллиптический отражатель, 4- лазерное излучение

Типичный режим работы рубинового лазера – импульсный с длительностью импульса генерации ~ 1 мс. При энергии в импульсе несколько джоулей мощность излучения достигает десятков киловатт. При накачке ртутными лампами высокого давления рубиновые лазеры могут работать в непрерывном режиме