книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды
.pdf
Лазерные керамики являются очень перспективными материалами для изготовления активных элементов лазеров.
Оптическая лазерная керамика представляет собой прозрачный поликристаллический материал, состоящий из кристаллических зерен, случайным образом ориентированных друг относительно друга.
По сравнению с монокристаллами и стеклами лазерные керамики обладают важными преимуществами:
Производство керамик обходится дешевле производства кристаллов (особенно для больших габаритов заготовок).
В керамике можно создать пространственно меняющуюся концентрацию активатора, что расширяет возможности при конструировании лазерных элементов.
Из керамик довольно просто получить заготовки любой формы и размера.
Некоторые перспективные в качестве лазерных сред соединения (например, Y2O3, Sc2O3) имеют очень высокие температуры плавления, что делает очень сложной и дорогостоящей технологию получения монокристаллов.
Такие материалы гораздо проще получить в виде керамик, так как температура синтеза керамик существенно ниже температуры плавления.
Например, активированная неодимом YAG керамика позволяет получить эффективность генерации не хуже, чем в случае YAG монокристаллов.
Кристаллы, керамики и стекла в качестве активаторов среды содержат примеси ионов переходных элементов (чаще всего Cr, Ti и элементы лантановой группы).
81
Электронные уровни ионов активаторов, введенных в кристаллическую или стеклянную матрицу, используются в качестве рабочих уровней лазерных переходов.
Такие переходы запрещены согласно правилам отбора и слабо подвержены влиянию кристаллического поля.
Это означает, что время спонтанной релаксации, примерно равное времени жизни τф верхнего уровня, намного больше критической скорости накачки, равной 1/τр.
Спектральная ширина линии перехода ν0 относительно невелика. 
Кристаллы, наиболее часто используемые для активации
Гранаты
Y3Al5O12 (YAG), Gd3Ga5O12 (GGG), Gd3Sc2Al3O12 (GSGG)
Сапфир
Al2O3
Алюминат
YAlO3 (YALO)
Фториды
LiYF4, LiCaAlF6, LiLuF4, LiSrAlF6
Ванадаты
YVO4, GdVO4
Кубические кристаллы, обладающие высокой твердостью и теплопроводностью; активируются редкоземельными ионами, которые замещают в решетке ионы Y и Gd; химически инертны.
Оптически одноосный кристалл, обладающий высокой твердостью и теплопроводностью, активируется переходными элементами.
Оптически двухосный кристалл, обладающий высокой твердостью и теплопроводностью, активируется редкоземельными ионами.
Низкосимметричны; служат матрицами для лазеров, работающих в УФ-диапазоне спектра, активируются хромом и редкоземельными ионами.
Оптически одноосные кристаллы, активируются редкоземельными ионами, интегральные интенсивности переходов и поперечные сечения в несколько раз выше, чем для остальных популярных лазерных кристаллов.
82
Активация кристаллов
|
|
|
|
|
|
|
Матрица |
Активатор |
Длина волны, мкм |
Режим генерации |
|
|
Al2O3 |
Cr3+ |
0,6943 |
Импульсный, непрерывный |
|
|
|
Nd3+ |
1,0648 |
Импульсный |
|
|
|
1,06 |
Непрерывный |
|
|
|
|
|
|
||
|
Y3Аl5О12 |
Tm3+ |
1,8834 |
Импульсный |
|
|
|
2,0132 |
Непрерывный |
|
|
|
|
Ho3+ |
2,0914 |
Импульсный |
|
|
|
Yb3+ |
1,0296 |
Импульсный |
|
|
|
Er3+ |
1,6602; 1,6452 |
Импульсный |
|
|
Са5(PО4)3F |
Nd3+ |
1,0629 |
Импульсный |
|
|
|
Nd3+ |
1,046 |
Импульсный |
|
|
|
Sm2+ |
0,708 |
Импульсный |
|
|
CaF2 |
Dy2+ |
2,36 |
Импульсный, непрерывный |
|
|
Ho3+ |
2,092 |
Импульсный |
|
|
|
|
Tm2+ |
1,116 |
Импульсный, непрерывный |
|
|
|
U3+ |
2,49; 2,613 |
Импульсный, |
|
|
|
|
|
непрерывный |
|
7.3. Рубиновый лазер
Кристалл рубина – первая активная среда, на которой была осуществлена лазерная генерация.
Рубин представляет собой кристалл Al2O3 (корунд), в котором ряд ионов Al3+ замещены ионами Cr3+.
Кристаллы рубина, применяемые в лазерах, содержат приблизительно 0,05 вес.% Cr2O3.
Энергетические уровни рубина, используемые для лазерной генерации, образуются за счет электронов внутренней 3d-оболочки иона хрома Cr3+, находящегося под действием октаэдрического поля решетки Al2O3.
83
Расщепление на две линии R1 и R2 (29 см–1) приводит к лазерной генерации на длинах волн λ1 = 0,6943 мкм и λ2 = 0,6928 мкм.
U, Y, B – линии поглощения, R – линия люминесценции.
Обозначения переходов (R, U, B, Y,) составляют английское слово Ruby (рубин).
Поглощение излучения накачки в рубине происходит из основного уровня 4А2 на полосы поглощения 4F1 и 4F2 на длинах волн 0,42 мкм и 0,55 мкм.
Эти полосы связаны безызлучательной релаксацией (~10–9 с) с уровнями 2Ā и Ē, что позволяет добиться высокой населенности уровня 2Е.
Время релаксации из уровня 2Е на основной уровень 4А2 довольно большое, так как на переходы Ā↔Ē действует квантовый запрет.
На уровне 2Е накапливается большая доля энергии накачки, что позволяет использовать этот уровень в качестве верхнего лазерного уровня.
Усиление перехода R2 несколько меньше, чем перехода R1, поэтому интенсивность лазерной генерации на длине волны λ1 = 0,6943 мкм выше, чем на λ2 = 0,6928 мкм.
Спектральная ширина перехода рубинового лазера составляет ν = 11 см–1, что позволяет рубиновому лазеру работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.
При длительности импульса τ = 10 нс пиковая мощности достигает 50 МВт, а в режиме синхронизации мод пиковая мощность в импульсе с длительностью 10 пс равна нескольким гигаваттам.
84
Для изготовления рубиновых лазеров используются круглые стержни диаметром 2–3 см и длиной 20–30 см.
Основным недостатком рубинового лазера является трехуровневая схема его работы, что ограничивает выходные энергетические параметры лазера.
7.4. Сапфировый лазер
По физико-химическим свойствам искусственные кристаллы сапфира с ионами титана (Al2O3:Ti3+) значительно превосходят наиболее распространенные лазерные среды.
Сапфир обладает высокой лучевой и терморадиационной стойкостью, а также позволяет осуществлять плавную перестройку длины волны излучения лазера в диапазоне от
650 до 1000 нм.
Генерация ионов титана в сапфире осуществляется в импульсном режиме как при лазерной накачке, так и при накачке импульсными лампами.
Поглощение излучения накачки происходит в широкой полосе в области 400–600 нм, образованной суперпозицией двух полос с максимумами при 490 и при 550 нм.
Время жизни возбужденного состояния –
3,5 мкс.
Энергетическое состояние 2D единственного электрона 3d-оболочки иона Ti3+ расщепляется октаэдрическим полем лигандов (ионов кислорода) на два вырожденных уровня 2T2g и 2E4g, отстоящих друг от друга на 19 000 см–1.
85
Сильное взаимодействие электронов
сколебаниями решетки формирует широкую линию люминесценции Ti3+
смаксимумом 780–800 нм.
С помощью селективных резонаторов можно обеспечить перестройку излучения лазера Al2O3:Ti3+ в интервале длин волн 600–1100 нм.
Наиболее высокие генерационные характеристики достигаются при концентрации
~ 0,1 ат. % Ti.
Накачка сапфирового лазера осуществляется либо второй гармоникой Nd:YAG (Nd:YVO4) лазера (532 нм), либо второй гармоникой твердотельного или волоконного Yb лазера (515–530 нм), либо аргоновым лазером (488–514,5 нм).
Основной проблемой при создании сапфировых лазеров является поглощение в красной и ближней ИК-области спектра (в области генерации перестраиваемого лазера).
Это поглощение вызвано комплексами, которые образуют ионы титана Ti3+ с собственными точечными дефектами корунда.
7.5.Неодимовые лазеры
Внеодимовых лазерах в отличие от
рубинового и сапфирового реализована четырехуровневая схема генерации.
Активация среды в этих лазерах происходит с использованием ионов неодима, внедренных либо в стеклянную матрицу (~3 вес.%), либо в кристалл иттрий-алюминиевого граната
YAG (~1 ат.%).
У ионов редкоземельных элементов незаполненная 4f-оболочка расположена ближе к ядру и экранируется 5s- и 5p-оболочками, а потому расположение уровней слабо зависит от типа матрицы.
86
Накачка переводит ионы Nd3+ из основного состояния 4I9/2 в две основные узкие полосы поглощения 4F9/2 и 4F7/2, расположенные на длинах волн 0,8 и 0,73 мкм.
Переходы F→I оптически запрещены, так как при этих переходах орбитальное квантовое число иона неодима изменяется на 3, что делает F-состояния метастабильными.
|
|
|
|
|
Полосы 4F9/2 и |
4F7/2 связаны быстрой (~10–7 с) безызлучательной релаксацией |
|
|
с уровнем 4F3/2, |
откуда идет излучательная релаксация на нижние уровни 4I9/2, |
|
|
4I11/2, 4I13/2. |
|
|
|
|
|
|
Наиболее интенсивным является пере-
ход 4F3/2→4I11/2 (60 % накопленной энергии).
Интенсивности переходов 4F3/2→4I9/2 и 4F3/2→4I13/2 составляют соответственно 25 и 14 % накопленной энергии.
По этой причине переход 4F3/2→4I11/2 является основным лазерным переходом, а уровни 4F3/2 и 4I11/2 – верхним и нижним рабочими уровнями соответственно.
Кроме того, уровень 4I11/2 связан быстрой (~10–9 с) безызлучательной релаксацией с основным 4I9/2 уровнем.
Разница энергий между уровнями 4I11/2 и 4I9/2 почти на порядок больше величины энергии теплового равновесия при комнатной температуре (kT), и, следовательно, тепловое равновесие между ними устанавливается очень быстро.
87
Уровень 4F3/2 накапливает большую часть энергии накачки и его можно считать верхним лазерным уровнем.
Уровень 4I11/2 за счет быстрой релаксации можно считать практически пустым, и, следовательно, он является нижним лазерным уровнем.
Таким образом, в гранате YAG:Nd3+ реализуется четырехуровневый режим генерации.
И верхний 4F3/2 уровень, и нижний 4I11/2 уровень расщеплены на подуровни, а это означает, что лазерную генерацию можно получить на многих переходах между отдельными состояниями этих подуровней.
Спектр люминесценции перехода
4F3/2→4I11/2 содержит 7 линий, из которых наиболее интенсивными являются линии
с длинами волн 1,0615 и 1,0642 мкм.
В неодимовых лазерах обычно осуществляют генерацию, обладающую наибольшим значением сечения перехода и соответствующую длине волны λ = 1,0642 мкм.
Спектральная ширина излучения лазера на стекле с неодимом Ст:Nd3+ ( ν = 280 см–1) существенно отличается от спектральной ширины излучения лазера на гранате YAG:Nd3+ ( ν = 6,5 см–1).
Из-за сильного неоднородного уширения неодимовое стекло имеет меньшее усиление, чем неодимовый гранат.
Кроме того, благодаря большой теплопроводности и однородности кристаллы YAG:Nd3+ позволяют реализовать как непрерывный режим, так и режим модуляции добротности.
88
Для накачки лазеров на YAG:Nd3+ обычно используют криптоновые лампы.
Иногда кристаллы YAG:Nd3+ дополнительно допируют ионами хрома, которые выполняют роль сенсибилизаторов.
Ионы хрома в гранате имеют широкие полосы поглощения на длинах волн ~ 0,43 мкм и ~ 0,59 мкм, что позволяет более эффективно использовать спектр излучения ксеноновых ламп.
Возбужденные ионы хрома передают энергию возбуждения активным центрам – ионам неодима.
Так как время передачи энергии от хрома к неодиму довольно велико (около 6 мс), то этот метод повышения эффективности накачки возможен лишь в режиме непрерывной генерации.
Основные технические параметры неодимовых лазеров
Параметры лазера |
Ст:Nd3+ |
YAG:Nd3+ |
|
Выходная мощность излучения в непрерывном |
– |
≤ 200 Вт |
|
многомодовом режиме |
|||
|
|
||
|
|
|
|
Средняя мощность при частоте повторения |
– |
~500 Вт |
|
импульсов 50 Гц |
|||
|
|
||
|
|
|
|
Пиковая импульсная мощность |
≤ 1012 Вт |
≤ 108 Вт |
|
Длительность импульса |
≥ 5 пс |
≥ 20 пс |
|
|
|
|
|
Максимальная энергия импульса |
~ 1 кДж |
500 мДж |
|
|
|
|
|
КПД |
≤ 6 % |
≤ 3,3 % |
|
|
|
|
|
Максимальная частота повторения импульсов |
5 Гц |
2·104 Гц |
|
Спектральная ширина излучения |
≥ 10–4 см–1 |
≥ 10–4 см–1 |
|
Расходимость излучения |
10–5 рад |
10–5 рад |
|
Энергетический порог механического разрушения |
10–100 |
10–30 |
|
оптических элементов лазера при длительности |
|||
Дж/см2 |
Дж/см2 |
||
импульсов ~ 20 нс |
|
|
89
7.6. Лазер на кристалле гадолиний-скандий-галлиевого граната
Gd3Sc2Ga3O12:Nd3+,Cr3+ (GSGG)
|
|
|
|
|
|
В гранате GSGG ион Nd3+ заме- |
|
В лазере на кристалле GSGG используется |
|
|
|
||
|
явление |
сенсибилизации люминесценции, |
|
|
|
щает редкоземельный ион Gd3+ |
|
при котором энергия возбуждающего из- |
|
|
|
и является активатором, а Cr3+ |
|
|
лучения |
поглощается одними частицами, |
|
|
|
замещает ионы Sc3+ или Ga3+ и |
|
а излучается другими. |
|
|
|
является сенсибилизатором. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее эффективными являются кристаллы GSGG:Nd3+,Сr3+, в которых коэффициент распределения Nd и Сr близок к единице, а микропараметр переноса энергии от Сr к Nd на два порядка выше, чем в ИАГ.
Из-за достаточно короткого времени переноса энергии накачки (~17 мкс) почти вся энергия, поглощенная ионами Cr3+, переходит ионам Nd3+.
Это позволяет эффективно использовать зеленную и синюю области излучения лампы, что приводит к увеличению КПД накачки приблизительно в три раза.
Генерация в кристаллах GSGG происходит на длине волны 1,0612 мкм, а оптическое поглощение в 2–3 раза выше, чем в кристаллах ИАГ, что существенно повышает эффективность лазеров на GSGG, особенно при малых (до 5 мм диаметром) размерах лазерного элемента.
Но из-за высокого поглощения излучения накачки (особенно в синей и фиолетовой областях спектра) возрастает доля энергии накачки, превращающаяся в тепло, и возникают проблемы распределения тепла.
В GSGG в тепло переходит до 15 % энергии на-
качки, а в YAG:Nd3+ –
только около 5 %.
Нагрев кристалла GSGG может привести к эффекту тепловой линзы (особенно
влазерных элементах больших размеров), что допускает их применение только
вимпульсных лазерах.
90