Материал: Лазеры на основе конденсированных сред

Лазеры на основе конденсированных сред

Контрольная работа

Лазеры на основе конденсированных сред

Содержание

Введение

. Специфика оптической накачки активной среды лазера

. Квантовые приборы с оптической накачкой, работающие по "трёхуровневой схеме"

.1 Теоретический анализ трёхуровневой схемы

.2 Рубиновый лазер

.3 Эрбиевый волоконно-оптический квантовый усилитель

. Лазеры с оптической накачкой, работающие по "четырёхуровневой схеме"

.1 Теоретический анализ четырёхуровневой схемы

.2 Неодимовый лазер

.3 Преобразование частоты излучения в нелинейной среде

.4 Перестраиваемые лазеры на красителях

.5 Перестраиваемый лазер на сапфире, легированном титаном

.6 Перестраиваемые лазеры на центрах окраски

.7 Волоконные лазеры

. Параметрическая генерация света

. Полупроводниковые лазеры

.1 Принцип действия

.2 ДГС-лазеры

.3 РОС- и ВРПИ-лазеры

Список литературы

Введение

К лазерам на основе веществ в конденсированном состоянии относятся лазеры, активная среда которых создаётся:

) в твёрдых телах - главным образом в диэлектрических кристаллах и стёклах, где активными частицами являются легирующие кристалл ионизированные атомы актиноидов, редкоземельных и других переходных элементов, а также - в кристаллах, обладающих свойствами полупроводника,

) в жидкостях, в состав которых вводятся активные частицы - молекулы органических красителей.

В этих средах вынужденное лазерное излучение возникает за счёт индуцированных излучательных переходов (см., раздел 1) между энергетическими уровнями ионов-активаторов или термами молекул. В полупроводниковых структурах вынужденное излучение возникает в результате рекомбинации свободных электронов и дырок. В отличие от газовых лазеров (см., раздел 4) инверсия населённостей в твёрдотельных и жидкостных лазерах всегда создаётся на переходах, близкорасположенных к основному энергетическому состоянию активной частицы.

Поскольку диэлектрические кристаллы не проводят электрический ток, то для них а также и для жидких сред используется т.наз. оптическая накачка - накачка лазерного перехода оптическим излучением (светом) от вспомогательного источника.

В полупроводниковых лазерах чаще используется накачка электрическим током (инжекционным током), протекающим через полупроводник в прямом направлении, реже - другие типы накачки: оптическая накачка, либо накачка бомбардировкой электронами.

1. Специфика оптической накачки активной среды лазера

Важной особенностью ОН является её селективность, а именно: подбором длины волны излучения ОН можно избирательно возбуждать нужное квантовое состояние активных частиц. Найдём условия, обеспечивающие максимальную эффективность процесса возбуждения активных частиц за счёт оптической накачки (ОН), в результате чего активная частица испытывает квантовый переход из энергетического состояния ‘i’ в вышерасположенное по шкале энергии возбуждённое состояние ‘k’. Для этого воспользуемся выражением для мощности излучения источника ОН, поглощаемой активными частицами облучаемой среды (см., раздел 1.9)

. (1)

В (1) входят частотная зависимость спектральной плотности энергии излучения источника ОН  и функция формы линии поглощения среды, т.е. её частотная зависимость (форм-фактор) .

Очевидно, что скорость поглощения и величина поглощаемой мощности будут максимальными, когда:

) концентрация частиц в состоянии ‘i’ будет наибольшей, т.е. ОН эффективна при высокой плотности активных частиц, а именно, из всего многообразия сред - для сред, находящихся в конденсированном состоянии (твёрдых тел и жидкостей);

) В состоянии ТДР распределение частиц по состояниям с различными значениями внутренней (потенциальной) энергии описывается формулой Больцмана, а именно: максимальной заселённостью обладает основное (низшее) энергетическое состояние частицы и ансамбля в целом. Отсюда следует, что состояние ‘i’ должно являться основным энергетическим состоянием частицы;

) для возможно более полного поглощения энергии источника ОН (наибольшей ΔPik) желательно иметь среду с наибольшим значением коэффициента поглощения  на квантовом переходе:

(см., ф-лу (1.35)),

а поскольку  пропорционален коэффициенту Эйнштейна Bki, а ВkiАki (см., ф-лу (1.11, б)), то желательно, чтобы поглощающий переход был бы "разрешённым" и "резонансным";

) Желательно, чтобы ширина спектра излучения источника накачки  была бы не больше ширины контура поглощения активных частиц. При накачке спонтанным излучением ламп добиться этого, как правило, не удаётся. Идеальной с этой точки зрения является "когерентная" накачка - накачка монохроматическим излучением лазера, при которой вся линия (весь спектр) излучения ОН "попадает" в контур поглощения. Такой режим поглощения и был рассмотрен нами в разделе 1.9;

) очевидно, что эффективность ОН будет тем выше, чем большая доля излучения будет поглощаться активными частицами посредством квантового перехода с накачкой нужного уровня. Так, если активная среда представляет собой кристалл (матрицу), легированную активными частицами, то матрица должна выбираться такой, чтобы излучение ОН ею не поглощалось, т.е. чтобы матрица была бы "прозрачной" для излучения накачки, что исключает в том числе и нагрев среды. В то же время полный КПД системы "источник ОН - активная среда лазера" обычно в большой степени определяется эффективностью преобразования электрической энергии, вкладываемой в источник накачки,- в его излучение;

) В разделе 1.9 было показано, что в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями ни при каких значениях интенсивности внешнего излучения (т.е. оптической накачки) принципиально невозможно получить инверсию населённостей: при →∞ удаётся лишь уравнять населённости уровней.

Поэтому для накачки квантового лазерного перехода оптическим излучением и создания на нём инверсии населённостей, используются активные среды с одним или двумя вспомогательными энергетическими уровнями, что вместе с двумя уровнями лазерного перехода образует трёх- или четырёхуровневую схему (структуру) энергетических уровней активной среды.

2. Квантовые приборы с оптической накачкой, работающие по "трёхуровневой схеме"

.1 Теоретический анализ трёхуровневой схемы

В такой схеме (рис. 1) нижним лазерным уровнем "1" является основное энергетическое состояние ансамбля частиц, верхним лазерным уровнем "2" является относительно долгоживущий уровень, а уровень "3", связанный с уровнем "2" быстрым безызлучательным переходом, является вспомогательным. Оптическая накачка действует по каналу "1"→"3".

Рис. 1. "Трёхуровневая" схема при оптической накачке

Найдем условие существования инверсии между уровнями "2" и "1". Полагая статистические веса уровней одинаковыми g1=g2=g3, запишем систему кинетических (балансных) уравнений для уровней "3" и "2" в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на уровнях:

 (2)

где n1, n2, n3 - концентрации частиц на уровнях 1, 2 и 3, Wn1 и Wn3 - скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями "1" и "3" под действием излучения накачки, вероятность которой W; wik - вероятности переходов между уровнями, N-полное число активных частиц в единице объёма.

Из (2) можно найти населённости уровней n2 и n1, как функцию W, и их разность Δn в виде

, (3)

которая определяет ненасыщенный коэффициент усиления α0 ансамбля частиц на переходе "2"→"1". Для того, чтобы α0>0, необходимо, чтобы , т.е. числитель в (3) должен быть положительным:

, (4)

где Wпор - пороговый уровень накачки. Так как всегда Wпор>0, то отсюда следует, что w32>w21, т.е. вероятность накачки уровня "2" релаксационными переходами с уровня "3" должна быть больше вероятности его релаксации в состояние "1".

В случае, если

>>w21 и w32 >>w31, (5)

то из (3) получим: . И, наконец, если W>>w21, то инверсия Δn будет: Δn≈n2≈N, т.е. на уровне "2" можно "собрать" все частицы среды. Заметим, что соотношения (5) для скоростей релаксации уровней отвечают условиям генерации "пичков" (см., Раздел 3.1).

Таким образом, в трёхуровневой системе с оптической накачкой:

) инверсия возможна, если w32>>w21 и максимальна когда w32>>w31;

) инверсия возникает при W>Wпор , т.е. создание носит пороговый характер;

) при невысоких w21 создаются условия для "пичкового" режима свободной генерации лазера.

.2 Рубиновый лазер

Этот твёрдотельный лазер является первым лазером, заработавшим в видимом диапазоне длин волн (Т.Мейман, 1960 г.). Рубином называют синтетический кристалл Аl2O3 в модификации корунд (матрица) с примесью 0,05% ионов-активаторов Cr3+ (концентрация ионов ~1,6∙1019 см-3), и обозначается как Аl2O3:Cr3+. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме с ОН (рис. 2,а). Лазерными уровнями являются электронные уровни Cr3+: нижний лазерный уровень "1" является основным энергетическим состоянием Cr3+ в Аl2O3, верхний лазерный уровень "2" - долгоживущий метастабильный уровень с τ2~10-3с. Уровни "3а" и "3б" являются вспомогательными. Переходы "1"→"3а" и "1"→"3б" принадлежат к синей (λ0,41мкм) и "зелёной" (λ0,56мкм) частям спектра, и представляют собой широкие (с Δλ~50нм) контура поглощения (полосы).

Рис. 2. Рубиновый лазер. (а) - Диаграмма энергетических уровней Cr3+ в Al2O3 (корунде); (б) - конструктивная схема лазера, работающего в импульсном режиме с модуляцией добротности. 1 - рубиновый стержень, 2 - лампа накачки, 3 - эллиптический отражатель, 4а - неподвижное зеркало резонатора, 4б - вращающееся зеркало резонатора, модулирующее добротность резонатора, Сн - накопительный конденсатор, R - зарядный резистор, "Кн" - кнопка пуска импульса тока через лампу; показан вход и выход охлаждающей воды.

Метод оптической накачки обеспечивает селективное заселение вспомогательных уровней "3а" и "3б" Cr3+ по каналу "1"→"3" ионами Cr3+ при поглощении ионами Cr3+ излучения импульсной ксеноновой лампы. Затем за сравнительно малое время (~10-8 с) происходит безызлучательный переход этих ионов из "3а" и "3б" - на уровни "2". Выделяющаяся при этом энергия превращается в колебания кристаллической решетки. При достаточной плотности ρ энергии излучения источника накачки: когда , и на переходе "2"→"1" возникает инверсия населённостей и генерация излучения в красной области спектра на λ694,3нм и λ692,9 нм. Пороговая величина накачки с учётом статвесов уровней соответствует переводу на уровень "2" около ⅓ всех активных частиц, что при накачке с λ0,56 мкм требует удельную энергию излучения Епор>2Дж/см³ (и мощность Рпор>2кВт/см³ при длительности импульса накачки τ≈10-3c). Столь высокое значение вкладываемой в лампу и рубиновый стержень мощности при стационарной ОН может привести к его разрушению, поэтому лазер работает в импульсном режиме и требует интенсивного водяного охлаждения.

Схема лазера показана на рис. 2,б. Лампа накачки (лампа-вспышка) и рубиновый стержень для повышения эффективности накачки располагаются внутри отражателя с цилиндрической внутренней поверхностью и сечением в форме эллипса, причём лампа и стержень располагаются в фокальных точках эллипса. В результате всё излучение, выходящее из лампы, оказывается сфокусированным в стержне. Импульс света лампы возникает при пропускании через неё импульса тока путём разряда накопительного конденсатора в момент замыкания контактов кнопкой "Кн". Охлаждающая вода прокачивается внутри отражателя. Энергия излучения лазера в импульсе достигает нескольких джоулей.

) режим "свободной генерации" при малой частоте повторения импульсов (обычно 0,1-10 Гц);

) режим "модулированной добротности", обычно оптико-механический. На рис. 2,б модуляция добротности ООР осуществляется путём вращения зеркала;

) режим "синхронизации мод": при ширине линии излучения Δνнеодн~1011Гц,

число продольных мод М~102, длительность импульса ~10 пс.

Среди применений рубинового лазера: голографические системы записи изображений, обработка материалов, оптические дальномеры и др.

Широко применяется в медицине и лазер на BeAl2O4:Cr3+ (хризоберилле, легированном хромом, или александрите), излучающий в диапазоне 0,7-0,82 мкм.

.3 Эрбиевый волоконно-оптический квантовый усилитель

Такой усилитель, называемый часто "EDFA" (аббревиатура от "Erbium Dopped Fiber Amplifier"), работает по трёхуровневой схеме на квантовых переходах между электронными состояниями Er3+ в кварцевом волокне, легированном эрбием: SiO2:Er3+ (рис. 3,а). Нижним квантовым состоянием "1" является основное электронное состояние Er3+-4I15/2. Верхними квантовыми состояниями "2" является группа нижних подуровней расщеплённого электронного состояния 4I13/2. Расщепление на ряд близкорасположенных подуровней возникает из-за взаимодействия ионов Er3+ с внутрикристаллическим полем SiO2 (эффект Штарка). Верхние подуровни электронного состояния 4I13/2 и отдельный уровень 4I11/2 являются вспомогательными уровнями "3а" и "3б".

Под действием излучения накачки на длинах волн 980нм (или 1480нм) ионы Er3+ переходят из состояния "1" в короткоживущие состояния "3а" или "3б", а затем быстрыми безызлучательными переходами (w32~106c-1) - в состояние "2", которое является квазиметастабильным (w21~102c-1, а τ2~10мс). Таким образом, требование w32>>w21 выполняется, и на уровне "2" происходит накопление частиц, число которых при превышении уровня накачки над ее пороговым значением W>Wпор, превышает населённость уровня "1", т.е. возникнет инверсия населённостей и усиление на длинах волн в диапазоне 1,5-1,57 мкм (рис. 3,б). Оказывается, что порог инверсии достигается, когда на уровень "2" переводится одна треть частиц. Пороговый уровень ОН-Wпор и частотная зависимость коэффициента усиления определяются структурой волокна (рис. 3,б), концентрацией Er3+ и длиной волны излучения ОН. Эффективность накачки, а именно отношение ненасыщенного коэффициента усиления к единице мощности источника ОН, составляет для накачки с λ980нм-до 11дБ·м-1∙мВт-1, а для λ1480нм-около 6дБ·м-1∙мВт-1.

Соответствие частотного диапазона усиления EDFA третьему "окну про-зрачности" кварцевого волокна обуславливает применение таких усилителей в качестве компенсаторов линейных потерь современных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) с частотным уплотнением каналов (системы WDM: Wavelength Division Multiplexing, и DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing). Отрезок кабеля-усилителя, накачиваемый излучением полупроводникового лазера, достаточно просто включается в ВОЛС (рис. 3,в). Использование эрбиевых волоконных усилителей в ВОЛС заменяет технически гораздо более сложный метод "регенерации" сигнала - выделения слабого сигнала и его восстановления.