6. Режим свободной генерации твердотельного лазера
Лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. При импульсном режиме работы возбуждение осуществляется мощным импульсом энергии, вводимым в среду в течение короткого времени. Мощность импульсного возбуждения при этом достигает величин, которые были бы невозможны при непрерывном возбуждении вследствие разрушения среды и источника накачки. Поэтому в импульсном режиме проще достичь порога генерации и проще получить высокое усиление, чем в непрерывном режиме. Энергия, запасенная в лазере за время действия импульса накачки, выделяется в виде импульса света, длительность которого, как правило, совпадает с длительностью импульса накачки, если не принимать специальных мер по управлению длительностью. В этом случае генерация лазера называется свободной. Наиболее распространенным источником для накачки импульсных твердотельных лазеров являются импульсные лампы. Длительность импульса накачки определяется параметрами источника питания и разрядной цепи и для лазеров на ионах неодима составляет величину порядка сотен микросекунд. Такова же длительность огибающей импульса генерации.
7. Nd+3:YAG – лазеры
В Nd+3:YAG – лазерах роль активного элемента играет кристалл Y3Al5O12 , в котором небольшая часть ионов Y+3 замещена ионами Nd+3. Неодимовые лазеры могут генерировать на нескольких линиях (0.91; 1.06; 1.34 и 1.9 мкм). Самая сильная из них имеет длину волны излучения 1.06 мкм. Неодимовый лазер работает по четырехуровневой схеме. Упрощенная схема энергетических уровней ионов неодима в кристалле, участвующих в процессе возбуждения ионов и создания инверсной заселенности, представлена на рис.2. Две основные линии поглощения (следовательно, основные линии оптической накачки) расположены на длинах волн 0.73 и 0.8 мкм на переходах между основным состоянием 1(4I9/2) и группой уровней 2(4F5/2, 2H9/2, 4S9/2, 4F7/2). Группа уровней 2 связаны с верхним лазерным уровнем 3(4F3/2), а нижний лазерный уровень 4(4I11/2) – с основным состоянием быстрой безизлучательной релаксацией. Лазерный переход между уровнями 3 и 4 преимущественно уширен однородно и имеет при температуре Т=300К ширину =6.5 см-1=195 ГГц. Лазерные кристаллы, обычно, имеют вид стержней диаметром 5-10 мм и длиной 5-20 см. Лампы накачки и лазерный стержень помещаются в специальную осветительную систему, который должен обеспечить максимум концентрации световой энергии ламп на месте расположения лазерного стержня.
В качестве ламп накачки используются, в основном, ксеноновые дуговые лампы среднего давления (500-1500 мм рт.ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4-6 атм). Для повышения КПД лазера очень важно совмещение спектра излучения накачки со спектром поглощения рабочих частиц активного элемента. При накачке ксеноновыми лампами удается использовать до 30% лучистой энергии ламп.
8. Юстировка лазера.
Для юстировки лазерного резонатора из элементов оборудования необходимо собрать оптическую схему в соответствии с рис.3.
На первом этапе юстировки необходимо в отсутствии диафрагмы 6 с помощью двух поворотных зеркал 2 совместить луч вспомогательного гелий-неонового лазера 1 с оптической осью лазерного стержня 4. Контроль качества совмещения оптических осей опорного луча и стержня следует осуществлять с помощью полупрозрачного экрана с юстировочным крестом на торцах стержня. При этом необходимо добиться совпадения юстировочного луча с геометрической осью симметрии стержня.
Рис 4. 1 – He-Ne-лазер, 2 – алюминиевое зеркало, 3 – выходное полупрозрачное зеркало резонатора, 4 – активный элемент излучателя на Nd3+:YAG, 5 –глухое зеркало, 6 – диафрагма.
На втором этапе необходимо установить диафрагму 6, перемещая ее в горизонтальном и вертикальном направлениях так, чтобы центр диафрагмы совпал с осью юстировочного луча. Затем, с помощью юстировочных винтов глухого зеркала следует точно направить отраженный луч в обратном направлении, пропуская его через установленную для этой цели диафрагму 6. Таким образом, одно из зеркал лазерного резонатора оказывается настроенным. Аналогичным образом следует выполнить юстировку выходного зеркала 3. Для этого нужно найти отраженное от рабочей поверхности зеркала луч и направить его с помощью юстировочных винтов на центр диафрагмы 6.
На третьем этапе следует произвести тонкую юстировку зеркал резонатора по максимуму выходной мощности излучения лазера. С этой целью следует включить систему охлаждения квантрона и источник питания лампы накачки в соответствии с инструкциями их эксплуатации. Если лазерный резонатор достаточно хорошо сьюстирован, то одновременно со вспышкой лампы накачки должен возникать импульс генерации лазерного излучения, в чем можно убедиться по пятну отжига на жестком экране либо черной бумаге, установленном примерно на расстоянии 20 см от выходного зеркала (если лазерная генерация не достигнута, то настройку резонатора необходимо повторить). Вращая юстировочные винты зеркал резрнатора в обоих направлениях, находят их оптимальное положение, при котором яркость пятна лазерного факела максимальна. Юстировку производят сначала визуально, а затем более точно с помощью измерителя мощности.