Лазер четырехуровневая схема

Сформулируем основные требования, предъявляемые к активатору. Ионы активатора должны обладать системой энергетических уровней, обеспечивающих работу лазера по четырехуровневой схеме (см. рис. 33, б). Конечный уровень лазерного перехода (уровень 2 на рис. 33, б или уровень 1ц/12 на рис. 34) должен быть расположен выше основного уровня (уровня 1 [c.65]

Дальнейшее увеличение интенсивности накачки уже не сможет изменить создавшегося положения, так как в случае равенства iVj = произведение B Uy,N будет равно Во и М , при любом значении и . Отсюда следует, что в такого рода двухуровневой системе под действием световой накачки получить инверсию невозможно. Для осуществления инверсии необходимо иметь по крайней мере три уровня. В твердотельных лазерах используются вещества, работающие как по трех-, так и по четырехуровневой схеме. К первым относятся лазеры на рубинах, ко вторым — лазеры, в которых в качестве рабочего тела используются стекла с примесью неодима. [c.20]

Перейдем к рассмотрению твердотельных лазеров, работающих по четырехуровневой схеме. Типичным представителем этой группы лазеров является лазер на стекле, активированном неодимом. [c.25]

Как указывалось, наиболее распространенным твердотельным лазером, работающим по четырехуровневой схеме, является лазер на стекле. В этом лазере матрицей могут быть различные марки стекол, рабочими же атомами — атомы введенной в него примеси — неодима, придающего стеклу сиреневую окраску. Активное вещество вводится при варке стекла с концентрацией ионов неодима около см З. [c.27]

На рис. 20 приведена идеальная четырехуровневая схема, характерная для большинства лазеров непрерывного действия. [c.36]

Мы показали, каким образом можно использовать три или четыре энергетических уровня какой-либо системы для получения инверсии населенностей. Будет ли система работать по трех- или четырехуровневой схеме (и будет ли она работать вообще ), зависит от того, насколько выполняются рассмотренные выше условия. Может возникнуть вопрос зачем использовать четырехуровневую схему, если уже трехуровневая оказывается весьма эффективной для получения инверсии населенностей Однако дело в том, что в четырехуровневом лазере инверсию получить гораздо легче. Чтобы убедиться в этом, прежде всего заметим, что разности энергий между рабочими уровнями лазера (рис. 1.4) обычно много больше, чем kT, и в соответствии со статистикой Больцмана [см., например, формулу (1.8)] почти все атомы при термодинамическом равновесии находятся в основном состоянии. Если мы теперь обозначим число атомов в единице объема среды как Nt, то в случае трехуровневой системы эти атомы первоначально будут находиться на уровне 1. Переведем теперь атомы с уровня 1 на уровень [c.17]

Тогда с этого уровня атомы будут релаксировать с переходом на более низкий уровень 2. Если такая релаксация происходит достаточно быстро, то уровень 3 остается практически незаселенным. В этом случае, для того чтобы населенности уровней 1 и 2 сделать одинаковыми, на уровень 2 нужно перевести половину атомов Nt, расположенных первоначально на основном уровне. Инверсию населенностей будет создавать любой атом, переведенный на верхний уровень сверх этой половины от общего числа атомов. Однако в четырехуровневом лазере, поскольку уровень 1 первоначально был также незаселенным, любой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии, будет давать вклад в инверсию населенностей. Эти простые рассуждения показывают, что по возможности следует искать активные среды, работающие по четырехуровневой схеме. Для получения инверсии населенностей возможно, разумеется, использование н большего числа энергетических уровней. [c.17]

Процесс, под действием которого атомы переводятся с уров-Чя 1 на уровень 3 (в трехуровневой схеме лазера) или с уровня б на уровень 3 (в четырехуровневой схеме), называется накачкой. Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную [c.17]

Лазер иа Nd YAG (Х=1,06 мкм) действует по четырехуровневой схеме. Сечение перехода в максимуме линии составляет 0р = 3,5-1О- см , а время жизни Т = 0,23 мс. Вычислите интенсивность насыщения усиления. [c.105]

Прежде всего рассмотрим лазер, работающий по четырехуровневой схеме и имеющий для простоты лишь одну полосу поглощения накачки (полоса 3 на рис. 5.1). Впрочем, последующий анализ останется без изменения, даже если мы будем иметь дело с более чем одной полосой (или уровнем) поглощения накачки, при условии, что релаксация из этих полос на верхний лазерный уровень 2 происходит очень быстро. Обозначим [c.237]

Поскольку СОг-лазер действует по четырехуровневой схеме, можно сравнить выражения (5.62) и (5.33). Для этого должно быть известно пропускание Гг выходного зеркала. В приближении геометрической оптики получаем [см. (4,147)] [c.270]

Принцип работы лазера. Инверсная населенность. Рассматриваемый нами лазер на гранате с неодимом работает по так называемой четырехуровневой схеме [3, 8, 18—21]. Ионы неодима, расположенные внутри кристалла граната, имеют систему энергетических уровней, схематически изображенную на рис. В. 1. Первый уровень, называемый основным, соответствует минимально возможному значению энергии, которую могут иметь ионы. Число ионов, имеющих минимальную энергию (находящихся на основном уровне), составляет большинство. Число ионов, находящихся на более высоких уровнях энергии, заметно меньше и оно подчиняется равновесному распределению Больцмана [8, 18—21] [c.5]

С учетом такого приближения для описания кинетики населенностей этих эффективных лазерных уровней можно использовать пять уравнений, рассмотренных в работах [22, 31]. Причем в нашем случае активной среды АИГ-Nd эти уравнения могут быть заметно упрощены, учитывая аналогичность схемы уровней ионов неодима и идеальной четырехуровневой схемы лазера. Основными упрощающими приближениями, вытекающими из соотношения вероятностей излучательных переходов между уровнями (см. 1.2), являются следующие [c.29]

Смысл уравнения прост все ионы неодима, поглощающие излучение накачки, попадают через уровни накачки на метастабильный уровень, пополняя его, и затем покидают за счет спонтанной люминесценции. Таким образом, уравнение (1.15), хотя и является приближенным, но достаточно точно соответствует реальным параметрам четырехуровневой схемы лазера на АИГ-Nd (см 1.2). Решив уравнение (1.15) [31], получим для населенности уровня 3 и инверсной населенности выражения [c.33]

Прежде всего, благодаря низким порогам возбуждения и хорошей теплопроводности, он может работать при больших частотах повторения импульсов генерации, далеко выходящих за пределы, допустимые для рубина и стекла. Одновременно с этим, из-за низкого энергетического порога возбуждения, что является следствием четырехуровневой схемы, лазеры на основе этих элементов хорошо работают и в непрерывном режиме излучения при достаточно высоком КПД, достигающем 3,3% [71]. [c.168]

Рис. 89. Четырехуровневая схема в случае лазера с твердым активным телом (а — безызлучательные переходы)

Мощность лазера значительно выше, чем при давлении в несколько тор [295]. При давлениях, превышающих атмосферное, водородный лазер может работать по четырехуровневой схеме [296], что весьма существенно, так как приводит к возможности увеличения длительности существования усиления и генерации. [c.70]

Рис. 1.3. Энергетическая диаграмма уровней лазера, работающего по четырехуровневой схеме

Используя результаты рещения задачи 1.4 (кинетические уравнения для одномодового лазера, работающего по четырехуровневой схеме), определите характерные параметры гигантского импульса генерации лазера на кристалле Нс1 АС (пиковую мощность, выходную энергию импульса при оптимальной внешней нагрузке, длительность импульса Воспользуйтесь значениями материальных констант для Ы(1 УАС лазера из условий задачи 1.4 положите = 24 не, /г =2. [c.34]

В отличие от рубинового лазера, работающего по трехуровневой схеме, лазер на флюорите кальция с примесью диспрозия работает по четырехуровневой схеме. Это позволяет создавать достаточно мощные лазеры, работающие не импульсами, а непрерывно, что для некоторых применений очень существенно. [c.721]

Четырехуровневая схема характерна для твердотельных лазеров, в которых активными центрами являются ионы Nd +. [c.32]

Рис. 1.4. Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы лазера.

В трехуровневом лазере переход заканчивается на основном состоянии, так что резонансное поглощение может происходить без возбуждения. Следовательно, такой лазерный переход можно исследовать как по испусканию, так и по поглощению. В четырехуровневой же схеме лазерная линия кончается на уровне, который лежит выше основного состояния и не заселен до тех пор, пока кристалл не возбужден. Следовательно, в данном случае поглощение без возбуждения невозможно. Четырехуровневый лазер можно исследовать только по спектру испускания. Схема установки для измерения люминесценции представлена на фиг. 7.10. Непрерывно действующий источник с подходящими [c.394]

Четырехуровневая молекула. По такой схеме работают наиболее распространенные лазеры на матрицах, активированных ионами (рис. 16.4). В этом случае [c.145]

Неодимовые лазеры — это лазеры, в которых активным элементом является либо кристалл Y3AI5O12 (обычно называемый YAG), где часть ионов иттрия Y + замещена ионами неодима Nd +, либо оптическое стекло, активированное ионами неодима. Упрощенная схема энергетических уровней неодима в кристаллах иттрий-алюми-ниевого граната приведена на рис. 35.14. В отличие от рубинового лазера, работающего по трехуровневой схеме, неодимовый лазер работает по четырехуровневой схеме. До возбуждения подавляющее число частиц находится на исходном уровне Накачка осуществляет- [c.287]

Неорганические жидкостные лазеры. Активные среды неорганических жидкостных лазеров представляют собой растворы соединений TR +-hohob в неорганических растворителях сложного состава. Лазерный эффект достигнут пока только для ионов Nd + (табл. 34.8). Генерация идет по четырехуровневой схеме на переходе / 3/2— - Ai/2 с поглощением света накачки собственными полосами поглощения Nd +. Неорганические жидкостные лазеры могут работать с циркуляцией рабочего гещества, дают высокие значения выходной мощности. Эти лазеры работают как в режиме свободной генерации, так и с модуляцией добротности. [c.948]

В 1961 г. Е. Снитцером в качестве рабочего тела лазера с оптической накачкой был предложен ион неодима, помещенный в матрицу из стекла. Схема основных лазерных уровней иона неодима приведена на рис. 5.5. В отличие от рубинового лазер не неодиме работает по четырехуровневой схеме. Излучение лампы накачки активно поглощается целой системой полос, лежащих в диапазоне длин волн от 900 до 350 нм с временем жизни 10 "...10 с. В результате эффективных безызлучательных переходов возбуждение с этих уровней передается на метастабильный уровень " 3/2 > время жизни которого в случае стеклянной матрицы лежит в диапазоне 10 ". ..10 с в зависимости от концентрации неодима и марки стекла. Наиболее интенсивная линия люминесценции соответствует переходу на уровень V,, 2 с Х = 1,06 мкм. Ширина этой линии составляет 20...40 нм. Нижний лазерный уровень /и/г поднят над основным на 2,2-10 см . Из-за малого времени жизни этого уровня относительно безызлучательных переходов (10. ..10 ) и его низкой равновесной заселенности инверсия в данной схеме возникает при сравнительно низких уровнях возбуждения 1 Дж/см и таким образом, четырехуровневая схема ионов позволяет устранить один из наиболее серьезных недостатков рубиновых %/г м " ti,S-to n- лазеров. [c.177]

Сравнивая это выражение с (5.27), мы видим, что при одном и том же значении т в случае четырехуровневого лазера критическая скорость накачки в N /Nt раз меньше, чем в трехуровневом. Это является основным преимуществом четырехуровневой схемы. [c.250]

Принципиальным отличием лазеров на конденсированных средах от газовых является то, что атомы и молекулы в них либо совсем не могут совершать какого-либо направленного поступательного движения, что имеет место в твердых телах, либо, если могут, то это движение настолько ограниченно и не существенно по сравнению с колебательным или вращательным (характерными для жидкостей), что его можно не учитывать. Колебательное или вращательное движение структурных элементов в конденсированных средах определяют главным образом релаксационные процессы и спектральное уширение линий, соответствующих переходам между парами отдельных энергетических уровней. Для твердых активных сред, которые в большинстве случаев представляют собой ионные кристаллы, характерно колебательт ное движение, которое, в зависимости от типа кристаллической решетки,, может соответствовать либо только акустическим ветвям колебаний, либо — акустическим и оптическим. В настоящее время наиболее широкое применение находят лазеры на растворах органических красителей, состоящих из сложных молекул, имеющих сложную систему энергетических уровней, сводимую в большинстве случаев к четырехуровневой схеме. В молекулах жидкостей могут также совершаться колебательные движения, которые, как и в кристаллах, сопоставимы либо с акустическими, либо с оптическими ветвями колебаний. С этой точки зрения между сложными молекулами и кристаллами мбжет быть установлена полная аналогия, если весь кристалл в целом рассматривать как большую молекулу. Основное различие заключается в том, что в сложных молекулах на уширение и усложнение системы энергетических уровней существенное влияние могут оказать вращательные движения. Кроме того в молекулах, как правило, отсутствует трансляционная симметрия, существенная для кристаллов и определяющая зонную структуру энергетических уровней твердых тел. [c.175]

Таким образом, с учетом реальных расстояний и времени жизни энергетических уровней ионов неодима в АИГ-матрице образуется близкая к идеальной четырехуровневая схема лазера (см. рис. В.1, 1.7, 1.8). В качестве уровней накачки 4 служат все вышележащие уровни, начиная с Метастабильным верхнилс уровнем рабочего перехода 3 может быть уровень -Fa/2, расщепленный на два подуровня / i(B) — 11 423 см и i 2(A) — 11507 см В качестве нижнего уровня 2 рабочего перехода может служить любой из уровней мультиплетов " /ц/2, 1 ыч- И наконеи, основной уровень — это совокупность подуровней нижнего мультиплета /9/2. Следовательно, лазерная генерация по четырехуровневой схеме, в принципе, может идти по целой гамме каналов, образованных разными штарковскими подуровнями мультиплетов. Однако практическое значение имеет лишь малое число таких каналов (реально три), так как остальные имеют низкую эффективность генерации. [c.21]

Физическая модель для расчетов населенности основных лазерных уровней среды строится на основании четырехуровневой модели среды. В случае рассматриваемых ионов неодима в матрице АИГ роль уровня 1 играют штарковские подуровни основного мультиплета " /9/2, роль уровня 2 может играть любой из штар-ковских подуровней мультиплетов " /ц/2, " /13/2, " /15/2, роль мета-стабильного уровня 3 — два подуровня мультиплета " Рз/2 и, наконец, роль уровня (накачки) 4 играют все вышележащие уровни, включая и " / 3/2. Очевидно, что если составить систему уравнений, описывающих кинетику населенностей всех перечисленных уровней, то система будет весьма громоздкой. В нашем случае эту совокупность уровней можно свести к четырем эффективным уровням четырехуровневой схемы лазера. [c.29]

Рассмотрим несколько подробнее способ создания необходимой инверсии населенностей при помощи оптической накачки. Под действием интенсивного облучения светом от источника накачки молекулы в активной среде переходят в возбужденное состояние. В качестве источника накачки в зависимости от типа лазера и конкретного назначения могут использоваться импульсные лампы, а также другие лазеры. Существенные особенности процессов накачки и генерации могут быть пояснены в зависимости от типа лазера на основании трех- или четырехуровневой схемы (рис. 2.2). Рассмотрим сначала трехуровневую схему в том виде, в каком она реализуется, например, в рубиновом лазере (рис. 2.2, а). Лазерное вещество возбуждается оптическим излучением накачки /р, под действием которого молекулы переходят из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3. Затем большинство молекул путем быстрого безызлуча- [c.51]

Типичными представителями лазеров, работающих по четырехуровневой схеме, являются лазеры на трехвалентных ионах группы лантанидов (N(1, Рг, Тт, Ос1, Но, Ег, УЬ) и актинидов (Мр, Ри, Ат и Ст). Большая роль в систематических исследованиях спектроскопических свойств лантанидов и актинидов принадлежит П. П. Феофилову. У этих элементов застраивающиеся оболочки 4/ и 5/ защищены от внешних полей двумя полностью заполненными оболочками 55 Ър или б5 6/ соответственно, благодаря чему влияние электрического поля решетки намного слабее сказывается на спектре люминесценции, чем в случае ионов группы переходных металлов. Наблюдаемые спектры люминесценции интерпретируются как переходы внутри незаполненной /-оболочки. Обычно имеют место переходы с одного из возбужденных термов /-оболочки на компоненты расщепления основногомультиплета. Благодаря указанной экранировке силы осцилляторов для переходов / — / в поглощении очень малы, порядка 10" — 10 , и соответственно время жизни спонтанной люминесценции порядка [c.79]

Лазер, трехуровневая схема 721 четырехуровневая схема 721 Ламберта закон 150 Ландау и Плачека формула 613 Лауэ условия 388 Лауэграмма 388 Линза магнитная 180 [c.747]

Активным элементом неодимовых лазеров (] =1,06 мкм) непрерывного действия служит кристалл алюмо-иттриевого граната ( зА1201,5 или YAG), в котором часть ионов замещена ионами Импульсный режим генерации реализуется на менее теплопроводном стекле, активированном ионами Nd . Когерентное излучение в ближнем ИК-диапазоне получают по четырехуровневой схеме с оптической накачкой (рис. 17.5, а). Нижний лазерный уровень лежит выше основного состояния на А = 0,3 эВ, поэтому его населенность в ехр(АЕ/(кТ)) = раз меньше населенности основного состояния. Поэтому получить инверсную населенность оказывается значительно легче, чем в случае рубина. Пороговая мощность накачки YAG Nd "" лазера оказывается на три порядка меньше, чем у рубина, а КПД — значительно выше. [c.261]

В гл. 1 мы показали, что процесс, который переводит атомы с уровня 1 на уровень 3 (для трехуровневого лазера см. рис. 1.4, а) или с уровня О на уровень 3 (для четырехуровневого лазера см. рис. 1.4,6), называется накачкой. Накачка осуществляется, как правило, одним из следующих двух способов оптическим или электрическим. При оптической накачке излучение мощного источника света поглощается активной средой и таким образом переводит атомы активной среды на верхний уровень. Этот способ особенно хорошо подходит для твердотельных (например, для рубинового или неодимового) или жидкостных (например, на красителе) лазеров. Механизмы ушире-ния линий в твердых телах и жидкостях приводят к очень значительному уширению спектральных линий, так что обычно мы имеем дело не с накачкой уровней, а с накачкой полос поглощения. Следовательно, эти полосы поглощают заметную долю (обычно широкополосного) света, излучаемого лампой накачки. Электрическая накачка осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда, и ее особенно хорошо применять для газовых и полупроводниковых лазеров. В частности, в газовых лазерах из-за того, что у них спектральная ширина линий поглощения невелика, а лампы для накачки дают широкополосное излучение, осуществить оптическую накачку довольно трудно. Замечательным исключением, которое следует отметить, является цезиевый лазер с оптической накачкой, когда пары s возбуждаются лампой, содержащей Не при низком давлении. В данном случае условия для оптической накачки вполне благоприятны, поскольку интенсивная линия излучения Не с 390 нм (достаточно узкая благодаря низкому давлению) совпадает с линиями поглощения s. Фактически этот лазер представляет интерес лишь в историческом плане, как одна из первых предложенных лазерных схем. Кроме того, его реализация на практике является весьма сложной, поскольку пары s, которые для обеспечения достаточного давления газа необходимо поддерживать при температуре 175 °С, представляют собой весьма агрессивную среду. Оптическую накачку весьма эффективно можно было бы использовать для полупроводнико- [c.108]

Рассмотрим теперь четырехуровневую систему (рис. 1,8). Она встречается при описании режима генеращш очень многих типов лазеров атомарных и молекулярных газовых лазеров, твердотельных лазеров на оксидных и металлогаллоидных соединениях, активированных редкоземельными элементами, и существенно отличается от трехуровневой схемы. Уравнения баланса для заселенностей уровней четырехуровневой системы твердотельного лазера, по которой работает, на- пример, лазер на стекле, активированном неодимом [c.21]

Пороговая мощность накачки, поглощаемая в активном элементе, минимальна для самого сильного перехода 1064 нм (13 Вт) и может быть легко достигнута в реальных условиях. Пороговая логлощаемая мощность для перехода 946 нм оказывается весьма большой (770 Вт) и она не только не достижима реально, но и недопустима, так как приводит к разрушению активного элемента вследствие термических напряжений (см. 1.5). Поэтому в непрерывном режиме лазеры на гранате с неодимом могут работать лишь на двух переходах, на которых схема генерации близка к идеальной четырехуровневой 1338 нм, 1064 нм. [c.60]

Рис. 2.2. Схема энергетических уровней а — трехуровневого лазера, б — четырехуровневого лазера.

АИГ Nd-лазер принадлежит к твердотельным лазерам с оптической накачкой. Лазерно активными веществами служат синтетические кристаллы иттрий-алюминиевого граната (Y3AI5O12), содержащие ионы Nd + в объемной концентрации, приблизительно равной 1,5 %. Более высокие концентрации невозможны вследствие различия в радиусах ионов Nd и Y +. АИГ-кристаллы имеют кубическую решетку и поэтому являются оптически изотропными. На рис. 2.13, а показана схема уровней энергии иона Nd +, находящегося в электрическом поле кристалла. Из левой части рис. 2.13, а видно, что схема относится к четырехуровневому лазеру. [c.75]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...