Лазерная технология

Лазерная технология

Лекция-10

НИЯУ МИФИ ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Кафедра № 70

Лазерные технологические установки на основе твердотельных лазеров

Сравнительные характеристики активных сред твердотельных лазеров. Среди множества кристаллов с различными примесями наиболее широкое применение нашли Al2O3:Cr3+ (рубин) и Y3Al5O12:Nd3+(иттрий-алюминиевый гранат - YAG). Прочие лазерные кристаллы по разным причинам применяют гораздо реже, в лабораторной лазерной технике. Промышленность выпускает также лазеры на основе различных стекол с Nd3+ (для технологических лазеров) и стекловолокон с Er3+, Yb3+ (для волоконных лазеров).

Рубиновый лазер

Рубин представляет собой ионный кристалл окиси алюминия (глинозем, корунд, лейкосапфир или просто сапфир) Al2O3 с замещением части ионов Al3+ на Cr3+. Нелегированный корунд - кристалл, по твердости уступающий только алмазу, с заметным двулучепреломлением (показатель преломления для обыкновенной волны 1.76). Теплопроводность его при комнатной температуре на порядок хуже, чем у металлов, а при снижении температуры теплопроводность растет, достигая максимума вблизи температуры жидкого азота, где она становится лучше, чем у меди. Оптимальной принято считать концентрацию ионов хрома около 0,05% (по массе). Повышение концентрации хрома, во?первых, снижает однородность накачки за счет более сильного светопоглощения. Во?вторых, при высокой концентрации легирующих ионов их уровни энергии испытывают уширения и сдвиги за счет взаимодействий между близко расположенными ионами. Чисто кулоновское взаимодействие дает сдвиг и некоторое неоднородное уширение. Обменное взаимодействие из?за перекрытия волновых функций локализованных состояний ионов превращает уровень энергии в квазинепрерывную полосу (примесную зону), внутри которой облегчены пространственная миграция энергии возбуждения и релаксационные процессы. Результатом обменного взаимодействия будет дополнительное однородное уширение. Изредка используют рубины с содержанием хрома до 1%. В этих случаях нужна очень мощная накачка, но и энергия излучения может быть гораздо большей.

Рубиновый лазер

Систему уровней энергии ионов Cr3+, показанную на рисунке, приближенно описывает простая трехуровневая схема. Излучение накачки поглощается на переходах 4A2 ? 4F1,2 (сине-зеленая и фиолетовая полосы поглощения – 0.55 и 0.4 мкм). Время жизни 4F?состояний мало (10-7 ..10-8 с); его определяют безызлучательные переходы в метастабильное состояние 2E, расщепленное на два близких (29 см?1) подуровня, 2A и Е. Их заселенности при комнатной температуре практически одинаковы (kT ? 200 см-1). Переходы из этих долгоживущих состояний ( 3 мс ) в основное и способны дать лазерную генерацию на линиях R1 (693,4 нм) и R2 (692,9 нм). Указанные длины волн лазерных переходов относятся к комнатной температуре; при понижении температуры кристалла они уменьшаются под влиянием решетки.

Рубиновый лазер

Импульс рубинового лазера.

Рубиновый лазер

Для рубинового (и вообще трехуровневого) лазера разумно определить два пороговых уровня мощности накачки: порог инверсии - мощность, необходимая для уменьшения в два раза заселенности основного состояния; при этом заселенности нижнего и верхнего рабочих уровней лазера будут равными; порог генерации - мощность, необходимая для полной компенсации потерь излучения в лазере усилением активной среды. Еще одно важное свойство трехуровневой активной среды - поглощение на частоте самого лазерного излучения в пассивных (не освещенных интенсивным излучением накачки) участках рабочего вещества. Наличие таких пассивных областей из-за неудачной конструкции ухудшает рабочие характеристики рубинового лазера, в первую очередь снижая энергию и мощность излучения, а также влияет на динамику его излучения (зависимость мощности от времени, характер самопроизвольных пульсаций излучения и т.п.). Типовой режим работы лазера на рубине - импульсный. Так как время жизни верхнего лазерного уровня порядка миллисекунды, то имеет смысл использовать световые импульсы накачки длительностью от сотен микросекунд до единиц миллисекунд. Для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы с ксеноном или криптоном (100 Торр), дающие практически белый свет с существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы хрома имеют сильные полосы поглощения.

Рубиновый лазер

А) б)

В) г)

Осциллограммы импульсов рубинового лазера. а)- в режиме свободной генерации, б), в) – в режимах сглаживания г) – в квазистационарном режиме.

Твердотельные Nd3+:YAG-лазеры

Упрощенная схема энергетических уровней кристалла Nd:YAG ( обозначения уровней получены из теоретико-группового анализа состояний ионов в кристалле), область накачки – 0.5-0.8 мкм

Типы осветителей твердотельных лазеров с ламповой накачкой

Схема осветителя с эллиптическим отражателем и одной лампой накачки.

Схема осветителя с эллиптическим отражателем и двумя лампами накачки.

Твердотельные лазеры с ламповой накачкой

Структурная схема твердотельного лазера с ламповой накачкой с цилиндрическим осветителем а)-излучатель показан в продольном разрезе. б) - поперечный разрез излучателя лазера

Твердотельные Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой

1 — заднее зеркало, 2 — лампа накачки, 3 — кристалл nd:yag, 4 — отражатель, 5 — заслонка, 6 — выходное зеркало, 7 — модулятор света, 8 — фокусирующая оптическая система

Распределение по поперечному сечению активного элемента люминесценции усиливаемого излучения.

Твердотельные Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой

1- заднее зеркало, 2 - лазерные диоды оптической накачки, 3 - кристалл nd:yag, 4 - корпус, 5 - заслонка, 6 - выходное зеркало, 7 - модулятор света, 8 - фокусирующая оптическая система

Твердотельные Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой

Основные характеристики: • кол-во линеек – 18 • режим накачки – CW и QCW • мощность накачки – 1,08 кВт • выходная мощность – 300 Вт

Конструкция квантрона (вид сбоку)

Линейка лазерных диодов

Твердотельные Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой

Использование в конструкции диффузного отражателя обеспечивает высокооднородное возбуждение активной среды, что в свою очередь позволяет получить выходное излучение высокого качества.

Распределение по поперечному сечению активного элемента люминесценции усиливаемого излучения.

Волоконные лазеры

Оптическая система с волоконным лазером: 1 — сердцевина, легированная металлом, диаметр 6–8 мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное покрытие; 5 — лазерные диоды оптической накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор света; 10 — фокусирующая оптическая система

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры

Форма пучка разных лазерных источников: а — волоконные лазеры, одномодовый режим; б — Nd:YAG-лазеры, многомодовый режим; в — излучение лазерных диодов

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры

Установка для резки крупногабаритных металлических листов на основе волоконного лазера