Лазер на ионе неодима

ЛАЗЕР НА ИОНЕ НЕОДИМА [c.79]

Основную группу лазеров на твердых телах составляют лазеры на ионных кристаллах и стеклах. Основной метод возбуждения таких лазеров — оптическая накачка, наиболее характерный режим работы — импульсный. При этом, конечно, выбор исходных уравнений и численных значений величин для расчета существенно зависит от длительности импульсов накачки, гене рации и частоты их следования. Основные схемы расчета лазеров на твердых телах в настоящее время можно считать достаточно хорошо разработанными [10, 12, 27, 75, 89—92]. Твердотельные лазеры, наиболее важными и типичными представителями Которых являются лазеры на рубине и активированных неодимом стеклах, возникли одними из первых. Их разработка, исследование и расчет продолжается уже свыше четверти века и многие проблемы можно считать решенными, а методы расчета хорошо разработанными. Однако формулировки общих задач и методов расчета на современном этапе развития представляются более сложными, чем в случае электроразрядных лазеров на газах. [c.176]

Как отмечалось выше и показано на рис. 1.7, уровни Рз/2 и расположенные выше служат уровнями накачки кристаллов АИГ-Nd. Все эти уровня также состоят из серии штарковских подуровней, уширенных за счет воздействия колебаний решетки на ионы неодима. Очевидно, что чем больше таких уровней и чем они шире, тем больше поглощается свет накачки, тем эффективнее лазер. Кроме того, эффективность поглощения света накачки определяется сечением перехода. Все эти факторы в совокупности и определяют уровни накачки, используемые в лазерах. [c.26]

Существуют режимы работы оптических квантовых генераторов, в которых выходящее из них излучение имеет вид последовательности эквидистантных, относительно коротких импульсов света. На рис. 40.19 приведена зависимость от времени мощности излучения лазера ), введенного в такой режим. Продолжительность каждого импульса составляет примерно 5-10" с ), а интервал времени между последовательными импульсами точно равен длительности одного цикла Т = 2Ыс (в данном случае 6,8-10 с). Полное число импульсов определяется временем существования инверсной заселенности уровней иона неодима. [c.811]

Гранат, активированный неодимом, широко применяется в качестве активной среды в твердотельных лазерах. Схема энергетических состояний иона неодима в гранате дана на рис. [c.191]

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]

Как мы уже отмечали, основные переходы иона Nd + —это переходы, совершаемые тремя электронами, принадлежащими оболочке 4/. Эти электроны экранируются восемью внешними 5s-и 5р-электронами, Соответственно уровни энергии в стекле с неодимом в основном располагаются так же, как и в кристалле Nd YAG. Поэтому и наиболее интенсивный лазерный переход имеет длину волны % ж 1,06 мкм, Однако в стекле из-за неоднородного уширения, обусловленного локальными неоднородностями кристаллического поля стеклянной матрицы, линии лазерных переходов намного шире. В частности, основной лазерный переход с Х=1,06 мкм примерно в 30 раз шире, поэтому максимальное сечение перехода приблизительно в 30 раз меньше, чем в кристалле Nd YAG. Разумеется, более широкая линия благоприятна для работы в режиме синхронизации мод, в то время как меньшее сечение необходимо для импульсных высокоэнергетических систем, поскольку пороговая инверсия для паразитного процесса УСИ (усиление спонтанного излучения) [см. (2.153)] соответственно увеличивается. Таким образом, по сравнению с Nd YAG в стекле с неодимом до включения УСИ может быть запасено в единичном объеме больше энергии. Наконец, поскольку полосы поглощения в стекле с неодимом также много шире, чем в кристалле Nd YAG, а концентрации ионов Nd + обычно вдвое больше, эффективность накачки стержня из стекла с неодимом приблизительно в 1,6 раза больше, чем в стержне из Nd YAG тех же размеров (см. табл. 3.1). Однако наравне с этими преимуществами стекла с неодимом по сравнению с кристаллом Nd YAG стекло обладает весьма серьезным ограничением, связанным с его низкой теплопроводностью, которая приблизительно в десять раз меньше, чем в Nd YAG. Это существенно ограничивает применения лазеров на стекле с неодимом импульсными системами при небольшой частоте повторения импульсов (с 5 Гц), чтобы избежать проблем, связанных с нагревом стержня. [c.338]

К числу основных модулей относятся задающие генераторы с фиксированной длиной волны, выполненные на основе твердотельных или ионных лазеров. В последнее время особый интерес вызывают высокостабильные лазеры на гранате с неодимом, работающие в режиме активной синхронизации мод или в сдвоенном режиме — синхронизации мод и модуляции добротности. Преобразование частоты задающих генераторов, как правило с уменьшением длительности, осуществляется методами нелинейной оптики (генерация гармоник, параметрическое преобразование частот) или путем накачки перестраиваемых по частоте лазеров (на красителях, центрах окраски, полупроводниковых или ВКР лазеров). [c.240]

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]

Как уже отмечалось, в лазерах на гранате с неодимом нижние рабочие уровни заселены слабо, и поэтому основная доля мощности накачки расходуется не на создание инверсной населенности N >N2), а на преодоление потерь в резонаторе и на полезное выходное излучение. При этом для возникновения генерации достаточно перевести на уровень 3 лишь малую часть ионов, находящихся на основном уровне. Это выгодно отличает этот вид лазеров от лазеров, работающих по трехуровневой схеме. В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень, и для создания инверсной населенности N2>Nx) требуется перевести на метастабильный уровень 2 не менее половины ионов с основного уровня, а с учетом потерь в резонаторе и полезного излучения больше половины. Поэтому в трехуровневых лазерах (например, на рубине) мощность накачки расходуется непроизводительно и их К ПД оказывается существенно ниже. [c.8]

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]

Методики оценки пороговой мощности накачки, так же как и выходной мощности излучения, оказываются существенно различными для непрерывных и импульсных лазеров, что обусловлено достаточно большим временем жизни рабочих ионов неодима на метастабильном уровне. Рассмотрим оба этих случая. [c.58]

Как и лазеры на рубине, лазеры на стекле, активированном ионами неодима, могут работать во всех временных режимах излучения, выбор которого определяется областью применения лазера. В режиме свободной генерации лазеры на стекле с неодимом [c.166]

Другим распространенным типом твердотельного лазера является четырехуровневый лазер (рис. 18.17), работающий на неодимовом стекле (вольфрамат кальция с добавкой ионов неодима N(1 +). В четырехуровневой системе для осуществления лазерного эффекта нет необходимости освобождать основное состояние. [c.646]

Среди всех процессов преобразования частоты наиболее подробно изученным является удвоение линии 1,06 мкм, получаемой от ионов неодима в различных матрицах. В частности, в настоящее время предметом интенсивного исследования является процесс удвоения частоты излучения непрерывного лазера на Nd YAG [62], поскольку этот лазер характеризуется одновременно высокой эффективностью и большой мощностью, а также потому, что зеленый свет, получаемый в результате удвоения, попадает в удобный для регистрации с помощью фотоумножителей спектральный интервал. [c.129]

В стёклах из-за неоднородности локальных электро-статич. полей линия люминесценции 1,06 мкм сильно уширена (до ДЛ, ж 30 им неоднородное уширение). В кристаллах ИАГ однородное уширение составляет примерно 0,7 нм. Сильное неоднородное уширение приводит к тому, что неодимовое стекло имеет меньшее усиление, а соответствующие лазеры —более богатую мо-довую структуру, чем гранат, активированный неодимом. Вместе с тем стекло допускает большее (до 6 ) введение активных центров. В литий-лантан-фосфат-ных стёклах допустимо почти полное замещение лития неодимом, приводящее к концентрации ионов превышающей (2—3)-10 см". Кристаллы ИАГ активируются до концентрации 1,5% в стехиометрия, замещении иона + на N6 . [c.320]

Возмоншы более сложные схемы Н. квантовых систем, напр. четырёхуровневая схема Н. лазера на ионах неодима. Осуществить насыщение квантовых переходов в оптич. диапазоне с помощью нелазерных тепловых источников Н. очень трудно. С др. стороны, в условиях теплового равновесия при обычных темц-рах практически все квантовые частицы находятся на самом ниж. уровне. Выбрав вещество с четырьмя уровнями эиер-гип, при благоприятных соотношениях скоростей релаксац. переходов между уровнями можно получить инверсию разности населённостей уровней и 3 (рис, 2) и [c.240]

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]

В последние годы был создан твердотельный лазер, который привлек к себе большое внимание. Это ОКГ на иттриево-алюмини-евом гранате. Рабочим веществом здесь является также неодим, но благодаря тому, что оказалось возможным концентрацию ионов неодима довести до 1,4-10 см" , удельная мощность излучения этого лазера значительно превосходит удельную мощность стеклянных лазеров. Существенным преимуществом является то, что лазер может работать как в импульсном, так и непрерывном режиме. Лазер на иттриево-алюминиевом гранате при размере цилиндрического рабочего стержня 6,3x101 мм имеет мощность в непрерывном режиме порядка 300 Вт при коэффициенте полезного действия 3%. Накачка лазера обычно осуществляется лампами с криптоновым заполнением при давлении 4-10 Па [90, 128]. Применение соответствующего модулятора позволяет создать ОКГ с хорошей стабильностью мощности при высокой частоте следования импульсов (5-10 —5-10 Гц). [c.28]

Параметры систем О. л. зависят от характеристик осн. используемых узлов лазера, фотоприёмника, сканирующего устройства, модулятора и т. д. Наиб, широко в О. л. применяются лазеры, генерирующие в ИК-области спектра,— полупроводниковые, твердотельные, газовые. Полупроводниковые лазеры обеспечивают как непрерывный режим (до сотен мВт), так и импульсный (до сотен Вт) в ближней ИК-области спектра (X X 0,8—0,9 мкм). Модуляция полупроводниковых лазеров, как правило, осуществляется током накачки. Иа твердотельных лазеров в О. л. используются лазеры на разл. матрицах, активированных ионами неодима, в частности на основе алюмоиттриевого граната (A, = 1,06 мкм). Лазер на гранате, обладающий низким порогом возбуждения и хорошей теплопроводностью, может работать при больших частотах повторения импульсов, а также и в непрерывном режиме излучения при кпд до 3%. Предпочтительны в О. л. лазеры на двуокиси углерода (СО,-лазеры) с X 10,6 мкм, имеющие большой кпд (- 10%), мощность излучения от единиц Вт до кВт в непрерывном и МВт в импульсном режимах, узкую линию излучения (неск. кГц). [c.433]

Наиб, распространённым активатором материалов для Т. л. являются ионы Nd (см. Неодимовый лазер). Широкое применение в науке и технике находят лазеры на основе силикатньЕх и фосфатных стёкол с неодимом (см. Лазерные стёкла), генерирующие излучения в области [c.49]

Развитие полупроводниковых лазеров сделало Tiep neK-тивным использование их для накачки Т. л. Полупроводниковые лазеры (ПЛ) на основе монокристаллов арсенида галлия путём изменения состава позволяют получать генерацию в области 0,75 -н 1 мкм, что даёт возможность эффективно возбуждать генерацию на ионах Nd , TnT , Но , и Yb [5]. Накачка излучением ПЛ является близкой к резонансной, что в значит, степени снимает проблему наведённых термич. искажений в АЭ и позволяет относительно легко достигать предельно высокой направт jrenHo TH лазерного пучка. Получена непрерывная генерация на ионах Но (> г 2,) мкм), Тт (Х, 2,3 мкм), Ег (Я, 2.9 мкм), а также на разл. переходах ионов Порог генера1ши по мощности накачки в нек-рых случаях составляет единицы милливатт. Так, напр., порог генерации на ионах Но " в кристалле ИАГ—Тш —Но равен 4 МВт, а порог генерации на осн. переходе ионов N d в стекле не превышает 2 мВт. На целом ряде кристаллов с неодимом получена генерация второй гармоники. На осн. переходе неодима реализованы режимы модуляции добротности и синхронизации мод. Общий кпд неодимового непрерывного лазера с накачкой излучением ПЛ на длине волны генерации 1,06 мкм достигает 20%, [c.50]

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]

Эффективность преобразования электрической энергии в энергию излучения лазера на стекле зависит от режима генерации и составляет 1 % при квантовом КПД иона неодима 0,5. Распределение энергии по каналам потерь в лазере на стекле с неодимом близко к рубиновому лазеру (Лр.к 0,5 т1э-> 0,5 Т1отр 0,7 Т1сп 0,13 [c.179]

Началом генерации является спонтанное излучение ионов с ме-тастабильного уровня, которое усиливается, проходя активную среду, и затем с помощью зеркал вновь в нее возвращается, снова усиливается и т. д. Если усиление света превосходит его суммарное ослабление за счет поглощения в среде и потерь на частичное пропускание выходного зеркала, то возникает генерация и лазер начинает излучать наружу свет. Очевидно, что мощность излучаемого света тем выше, чем выше мощность света накачки и чем меньше потери света внутри резонатора. Существует так называемая пороговая мощность накачки, при которой усиление света сравнивается с суммарными потерями, и при малейшем увеличении этой мощности может возникнуть генерация. Необходимо напомнить, что для того, чтобы усиление света всегда превосходило потери, нижний рабочий уровень 2 должен быстро опустошаться, т. е. его время жизни должно быть гораздо меньше, чем время жизни ме-тастабильного уровня. В противном случае начнется накопление ионов неодима на уровне 2 и возрастет поглощение света с этого уровня наверх. Кроме того, время жизни ионов на уровнях накачки также должно быть малым. В противном случае ионы начнут накапливаться на уровнях накачки и инверсия населенности среды (а значит, и коэффициент усиления света) —начнет падать. [c.7]

Энергетические уровни ионов в рабочей матрице Y3AI5O12. Подробно этот вопрос изложен в [22, 25, 27, 28]. Воздействие матрицы на ионы проявляется прежде всего в дальнейшем расщеплении каждого из мультиплетного уровня изолированного иона (рис. 1.6.) на ряд подуровней за счет эффекта Штарка [22, 26]. Из-за хорошей экранировки электронов рабочей оболочки 4/ — внешними оболочками — степень расщепления оказывается заметно меньшей, чем расстояние между соседними мультиплетами, и составляет 10—100 см На рис. 1.7 показана схема уровней ионов неодима в матрице АИГ при температуре 300 К с учетом реального штарковского расщепления, причем на рисунке расщепление показано лишь для тех уровней, для которых оно существенно с точки зрения работы лазера. [c.16]

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]

Тебретические расчеты лазера проводятся на основе его функ- циональ ой схемы, приведенной на рис. 2.1. Световое излучение источника накачки (обычно лампы) осветителем фокусируется внутрь активного элемента и создает в нем инверсию населен ностей рабочих уровней ионов неодима. За счет этого активный элемент Ьриобретает возможность усиливать проходящее через него световое излучение, частота которого р9,вна частоте перехода между рабочими уровнями. Оптический резонатор, отражая проходящий через активный элемент свет, создает необходимую для генерации лазера положительную обратную связь. Кроме того. [c.47]

Кроме рубинов к активным средам в твердотельных лазерах относят иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) с неодимом и стекло с неодимом. ИАГ имеет химический состав Y3AI5O12. Кристаллы ИАГ активируются ионами Nd +. Генерация на ИАГ с неодимом происходит на длине волны 1,06 мкм. Для голографии используют вторую гармонику излучения 0,53 мкм (зеленая линия). Ионы неодима можно вводить в различные стекла. Наилучшими свойствами обладают фосфатные стекла, активированные неодимом, которые могут работать в частотном режиме с высокими энергиями излучения. [c.44]

Ввиду того что в приборах указанного назначения используются в основном лазеры на стеклах и кристаллах, активированных ионами неодима, изложение преимущественно затрагивает вопросы термооптики лазеров именно на этих средах. В книге приводятся сведения о физических свойствах материалов расчетные соотношения для полей температуры, напряжений и деформаций в активных элементах различного профиля рассматривается влияние термооптических аберраций и температуры активной среды на энергетические, поляризационные и спектральные характеристики лазерного излучения. [c.4]

На область полос поглощения активатора приходится сравнительно небольшая часть спектра излучения ламп накачки суммарный КПД импульсных ламп с удельной мощностью порядка 10 Вт/см для полос поглощения ионов неодима составляет около 10 % (распределение КПД но полосам поглощения характеризуется данными табл. 1) [67]. Преобразование этой части поглощенной активным элементом энергии в тепло в генерирующем лазере определяется в основном стоксовыми потерями (отношением частоты излучения лазера Vh к частоте излз ения накачки Vh). Тепловыделение в активном элементе составляет 3—8 % от энергии накачки. [c.11]

О сильном влиянии всех этих эффектов на работоспособность лазеров говорит тот факт, что число активаторов, успешно работающих при криогенных температурах, весьма велико [58] при переходе же к комнатным температурам список активаторов, используемых на практике, сокращается до трехвалентных ионов неодима, хрома и (в последнее время с использованием соактиваторов) эрбия. [c.102]

При изучении энергетики процессов в лазере на неодимовом стекле можно выделить две характерные стадии энергетических преобразований преобразовапие излучения накачки в энергию возбуждения ионов неодима — процесс накопления инверсии, и затем преобразование энергии инвертированных ионов в когерентное лазерное излучение — процесс генерации или усиления. На первой стадии наиболее существенными являются используемые в лазере источник и система накачки, а на второй — свойства активной среды и резонатора. [c.58]

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом. Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат (УдА15012), а активатором — ионы N(1 +. Принятое обозначение этого лазера ИАГ N(1 +. [c.30]

П/2. 9./2, /l3/2t Ьб/2-Основная доля энергии (60%) высвечивается в переходах Рз12- 1и12 в качестве нижних рабочих уровней принято рассматривать уровни, соответствующие терму /i 1/2. На рис. 1.17, б представлен спектр люминесценции неодима в гранате для переходов 3/2-> /ц/2. Спектр содержит 7 линий наиболее интенсивны линии 1,0615 и 1,0642 мкм. В табл. 1.1 приведены значения длин волн для 18 линий люминесценции с учетом различных переходов [141 данные получены при температуре 300 К-При упрощенном рассмотрении лазера ИАГ Nd + можно пользоваться четырехуровневой рабочей схемой ) основной уровень — терм /9/2, нижний рабочий уровень — терм /ц/2, верхний рабочий уровень — терм 3/2, уровень возбуждения — термы 7/2 и 5/2- Заметим, что переходы F I запрещены в дипольном приближении (оптически запрещены), поскольку при таких переходах орбитальное квантоюе число иона неодима изменяется на 3 следовательно, состояния, соответствующие -термам, являются метастабильными. [c.32]

Успехи последних лет в разработке твердотельных лазеров с широкими линиями усиления позволяют по-новому взглянуть на перспективы мош,ных твердотельных фемтосекундных систем. В таблице в разделе экспериментальные достижения приведены результаты, полученные группой Рочестерского университета в системе, исполь-зуюш,ей стекло с неодимом [18]. Однако новые лазерные материалы, такие, например, как сапфир с ионами титана (ширина линии усиления составляет около 3500 см ), позволяют рассчитывать на усиление импульсов длительностью Ти к 10 фс до энергий, достигаюш,их десятков джоулей [18]. Быстро прогрессируют и мощные усилители [c.293]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...