Материал: Лазеры на основе конденсированных сред

Рис. 3. Эрбиевый волоконно-оптический квантовый усилитель (EDFA). (а) - схема энергетических уровней Er3+ в SiO2 (кварце), (б) - усиление сигнала в кварце с различными добавками, (в) - упрощенная схема включения усилителя в ВОЛС:1-входное излучение (из тракта передачи), 2 - полупроводниковый лазер накачки, 3 - мультиплексор (coupler), 4 - EDFA (волокно SiO2: Er3+), 5 - оптический изолятор, 6 - выходное излучение (в тракт передачи).

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

.1 Теоретический анализ четырёхуровневой схемы

В такой схеме уровней (рис. 4) уровень "0" является основным энергетическим состоянием ансамбля частиц, уровень "1", связанный квантовым переходом с уровнем "0", является нижним лазерным, долгоживущий уровень "2" является верхним лазерным уровнем, а уровень "3" является вспомогательным. Накачка действует по каналу "0"→"3".

Рис. 4. Упрощённая четырёхуровневая схема лазера с оптической накачкой

Найдем условие существования инверсии между уровнями "2" и "1". Полагая статистические веса уровней одинаковыми, а также полагая, что

; ;

и , (6)

запишем упрощённую систему кинетических уравнений для уровней "3", "2" и "1"в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на всех уровнях:

 (7)

где n0, n1, n2, n3, - концентрации частиц на уровнях 0,1,2,3; Wn0 и Wn3 - скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями "0" и "3" под действием излучения накачки, вероятность которой W; wik-вероятности переходов между уровнями, N-полное число активных частиц в единице объёма.

Из (6 и 7) можно найти населённости уровней n1 и n2 как функцию W, и их разность Δn в виде

, (8)

которая определяет ненасыщенный коэффициент усиления α0 на переходе "2"→"1".

Очевидно, что коэффициент усиления будет положительным и максимальным, когда:

. (9)

Отсюда можно сделать выводы, что при четырёхуровневой схеме с ОН, когда выполняются условия (6) и (9):

) инверсия не носит порогового характера и существует при любых W;

) выходная мощность лазера, определяемая выражением (2.14), зависит от скорости оптической накачки Wn0.

) по сравнению с трёхуровневой, четырёхуровневая схема является более универсальной и позволяет создавать инверсию населённостей, а также осуществлять как импульсную, так и непрерывную и генерацию при любых уровнях накачки (когда усиление превышает потери в ООР).

.2 Неодимовый лазер

В лазере используется квантовый переход между электронными энергетическими уровнями Nd3+, лазерная генерация осуществляется по четырёхуровневой схеме с ОН (рис. 5). Наиболее широко применяемой кристаллической матрицей для ионов Nd3+ является иттрий-алюминиевый гранат: Y3Al5O12, и легированный кристалл обозначается как Y3Al5O12:Nd3+ или ИАГ:Nd3+. Концентрация Nd3+, не деформирующая кристалл ИАГ - до 1,5%. Другими матрицами для Nd3+ являются фосфатные и силикатные стёкла (обозначаемые как стекло:Nd3+), кристаллы гадолиний-скандий-галлиевого граната (ГСГГ:Nd3+), иттрий-литий фторида-YLiF4:Nd3+, ортованадата иттрия, металлоорганические жидкости. Благодаря кубической структуре матрицы, спектр люминесценции ИАГ имеет узкие линии, что определяет высокий коэффициент усиления твёрдотельных лазеров на неодиме, которые могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах генерации.

Рис. 5 Диаграмма энергетических уровней иона Nd3+ в ИАГ - Y3Al5O12: стрелки с буквами а, б, в, г, д-полосы поглощения при ОН с длинами волн 0,52, 0,58; 0,75, 0,81 мкм и 0,89 мкм соответственно

Упрощённая диаграмма энергетических электронных уровней Nd3+ в ИАГ представлена на рис.5 Нижний лазерный уровень "1" 4I11/2 наиболее интенсивного квантового перехода Nd3+ с длиной волны λ1,06мкм располагается примерно на 0,25эВ выше основного энергетического состояния "0"-4I9/2, и в нормальных условиях практически не заселён (0,01% от населённости основного состояния), что и определяет низкий порог генерации этого лазера. Уровень 4F3/2, время жизни которого 0,2мс, является верхним лазерным уровнем "2". Группы уровней (энергетические "зоны") "3а"…"3д" играют роль вспомогательного электронного уровня "3". Оптическая накачка осуществляется по каналу "0"→"3", полосы поглощения имеют длины волн вблизи 0,52; 0,58; 0,75; 0,81 и 0,89мкм. Из состояний "3а"…"3д" происходит быстрая релаксация безызлучательными переходами в верхнее лазерное состояние "2".

Для накачки используются криптоновые и ксеноновые газоразрядные лампы, галогенные лампы с добавками щелочных металлов в наполняющем газе, а также полупроводниковые GaAs лазеры (λ0,88мкм) и светодиоды на основе Ga1-xAlxAs (λ0,81 мкм) (рис. 6).

Рис. 6. Схема неодимового лазера, накачиваемого излучением светодиодов: 1-кристалл ИАГ (или стекло), активированные Nd3+, 2-зеркала ООР, 3-"линейка" светодиодов, 4-пучки излучения накачки

Мощность излучения лазера на ИАГ:Nd3+ с длиной волны λ1,06мкм в непрерывном режиме достигает 1кВт, рекордные значения, достигнутые в импульсном режиме: энергия импульса - около 200кДж, а мощность-200ТВт при длительности импульса ~1нс (лазер, созданный для экспериментов по управляемому лазерному термоядерному синтезу-ЛТС).

Рис. 7. Схемы преобразования частоты излучения неодимового лазера, работающего в режиме модулированной добротности с помощью нелинейных кристаллов KDP: а - удвоение частоты (λ0,53мкм), б - учетверение частоты с помощью двух кристаллов (λ0,26мкм), в - генерация 5-й оптической гармоники (λ0,21 мкм): сложением основной частоты и 4-й гармоники

В кристалле ИАГ лазерная линия Nd3+ с λ1,06мкм уширена однородно (до 0,7нм), в то время, как в стёклах имеет место значительное неоднородное уширение за счёт эффекта Штарка (Δνнеодн≈3∙1012Гц,), что позволяет успешно применять режим синхронизации продольных мод (см., раздел 3.3) с М~104 и получать сверхкороткие импульсы длительностью порядка 1пс.

Повышенная концентрация ионов-активаторов в таких средах как пентафосфат неодима (NdP5O14), тетрафосфат неодима лития (LiNdP4O12) и др., обеспечивает эффективное поглощение излучения полупроводникового лазера на расстояниях порядка долей миллиметра, что позволяет создавать миниатюрные модули, называемые минилазерами: полупроводниковый лазер-неодимовый лазер.

Высокая мощность излучения неодимового лазера с λ1,06 мкм позволяет осуществлять преобразование частоты его излучения с помощью нелинейных кристаллов. Для генерации второй и высших оптических гармоник используют кристаллы с квадратичной и кубичной нелинейной восприимчивостью (калия дигидрофосфат - KDP, калия титанилфосфат - KTP), при прямом и (или) последовательном (каскадном) преобразовании. Так, если использовать для излучения неодимового лазера цепочку кристаллов, то можно получать кроме ИК-излучения на основной частоте с λ1,06 мкм - генерацию 2-й, 4-й и 5-й гармоник с длинами волн λ0,53мкм (зелёное излучение); λ0,35 мкм, λ0,26 мкм и λ0,21 мкм (УФ излучение) - (рис. 7).

Основные области применения неодимовых лазеров: технологические и медицинские установки, эксперименты по управляемому лазерному термоядерному синтезу, исследования резонансного взаимодействия излучения с веществом, в системах подводного видения и связи (λ0,53мкм), оптическая обработка информации; спектроскопия, дистанционная диагностика примесей в атмосфере (УФ излучение) и др.

В лазерах, использующих в качестве матрицы стёкла (силикатные, боратные и др.), могут с успехом применяться и другие ионы-активаторы: Yb3+, Er3+, Tm3+, Ho3+ с излучением в диапазоне 0,9-1,54 мкм.

.3 Преобразование частоты излучения в нелинейной среде

Явление удвоения и сложения частот световых волн состоит в следующем. При распространении света в среде под действием электрического поля электромагнитной волны Е, происходит соответствующее смещение атомных электронов относительно ядер, т.е. среда поляризуется. Поляризуемость среды характеризуется величиной электрического дипольного момента единицы объёма - р, связанного с величиной поля Е через диэлектрическую восприимчивость среды χ:  [13]. Если это поле невелико, то диэлектрическая восприимчивость χ=χ0=Const, р является линейной функцией от Е: , и смещение зарядов вызывает излучение с той же частотой, что и начальное излучение ("линейная" оптика).

При высокой мощности, когда электрическое поле излучения начинает превышать значение внутриатомного поля, поляризуемость становится нелинейной функцией Е:  То есть кроме линейно зависящего от Е слагаемого при малых Е, когда мы имеем дело с линейной оптикой, в выражении для р появляется нелинейное относительно Е слагаемое ("нелинейная" оптика). В результате при распространении в среде волны "накачки" с частотой ν0 и волновым вектором  (где  - показатель преломления среды), появляется новая волна - вторая оптическая гармоника с частотой и волновым вектором , а также ряд гармоник высших порядков. Очевидно, что энергия волны накачки с частотой  будет наиболее эффективно перекачиваться в новую волну с частотой , если скорости распространения этих двух волн будут одинаковы, т.е. если имеет место т.наз. условие волнового синхронизма: . Выполнить это условие можно используя кристалл с двулучепреломлением, когда две волны распространяются под некоторым углом к его главной оптической оси.

При распространении в кристалле двух волн с частотами  и  и волновыми векторами  и , кроме гармоник каждой из волн, в кристалле генерируется волна с суммарной частотой: , и волна с разностной частотой. Условие волнового синхронизма при этом имеет вид: .

Описанные явления в определённом смысле можно рассматривать как генерацию гармоник при когерентной оптической накачке нелинейного кристалла.

.4 Перестраиваемые лазеры на красителях

Лазеры на растворах сложных органических соединений (в т.ч. красителей: родаминов, кумаринов, оксазолов и др.) в спиртах, ацетоне и других растворителях, относятся к группе жидкостных лазеров. Такие растворы обладают интенсивными полосами поглощения при ОН и излучения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях спектра. Основное их достоинство - широкая линия люминесценции (до 50-100 нм), что даёт возможность плавно перестраивать рабочую частоту лазера в пределах этой линии.

Электронные состояния большинства красителей, используемых в таких лазерах, представляют собой широкие, до 0,1эВ, сплошные зоны энергии, получающиеся как результат сложения сотен "перекрывающихся" колебательных и вращательных подуровней, что приводит и к широким, как правило, бесструктурным полосам поглощения и люминесценции, как результат сложения "перекрывающихся" переходов между такими подуровнями (рис. 8,а). Между подуровнями "внутри" этих зон имеют место быстрые безызлучательные переходы с вероятностями w~1010…1012 c-1, а вероятности релаксационных переходов между электронными состояниями - на два-четыре порядка меньше (~108 c-1).

Генерация происходит по "четырёхуровневой" схеме на переходах молекулы красителя с нижних колебательных подуровней первого возбуждённого синглетного электронного состояния S1 (рис. 8,а), аналогах уровня "2" на диаграмме рис. 4 - на верхние подуровни основного электронного состояния S0, аналогах уровня "1". Аналогом уровня "0" являются нижние подуровни основного электронного терма, а аналогом вспомогательного уровня "3" - верхние колебательные подуровни возбужденного электронного терма S1.

Поскольку внутри электронных термов имеют место быстрые переходы, то распределение населённости состояний отвечает закону Больцмана: верхние под-уровни "3" и "1" являются слабо заселёнными, а нижние "0" и "2" - сильно заселёнными. Такое соотношение для уровней "0" и "3" определяет для них высокую эффективность ОН по каналу "0"→"3", а соотношение для уровней "2" и "1" -инверсию населённостей, усиление и генерацию на этом переходе.

Для получения узкой линии генерации, а также для возможности перестройки её по частоте в пределах широкой полосы люминесценции молекул красителя используют дисперсионный резонатор со спектрально-селектирующими элементами (призмами, дифракционными решётками, интерферометрами и др. (рис. 8,б).

Рис. 8. Лазер на красителе с оптической накачкой: (а) - обобщённая схема энергетических уровней, S0, S1 и S2- синглетные уровни, Т1 и Т2- триплетные уровни, r-обобщённое расстояние между атомами в молекуле красителя; показаны паразитные переходы, снижающие эффективность лазера ("2"→Т1, Т1→"1", Т1→Т2); (б) - оптическая схема струйного лазера на красителе с лазерной (когерентной) накачкой: З1-З4 - зеркала резонатора, П-диспергирующий элемент (призма), показаны лазерный луч накачки и сопло, формирующее струю раствора красителя; (в) - область перестройки лазера с дисперсионным резонатором: 1-линия люминесценции, 2 - лазерная линия (показаны схематично).

оптический лазер квантовый свет

Возможность перестройки по длине волны в пределах линии люминесценции (рис. 8,в) без потери мощности определяется быстрыми безызлучательными переходами внутри электронных термов "2" и "1", вероятность которых превышает вероятность индуцированных переходов. Так, при настройке резонатора на какую-либо длину волны в пределах линии люминесценции перехода "2"→"1" возникает лазерное излучение на переходе между соответствующими подуровнями "2ʹ" и "1ʹ", в результате подуровень "2ʹ" индуцированными переходами "очищается", а "1ʹ" - дополнительно заселяется. Однако за счёт ОН и быстрых переходов с соседних подуровней внутри терма населённость "генерирующего" подуровня "2ʹ" непрерывно восстанавливается. Одновременно подуровень "1ʹ" быстрыми переходами непрерывно очищается, релаксируя в конечном итоге в состояние "0". Таким образом, вся накачка верхнего электронного терма "2" становится накачкой перехода "2ʹ"→"1ʹ" и превращается в узкополосное монохроматическое лазерное излучение на частоте настройки дисперсионного резонатора, и эту частоту можно варьировать.

Помимо излучательных переходов S1→S0 ("2"→"1") существует и ряд переходов, снижающих эффективность генерации. Это переходы: S1→Т1, снижающие населённость уровней "2ʹ", переходы Т1→"1", увеличивающие населённость уровней "1ʹ", и переходы Т1→Т2, поглощающие лазерное излучение.

Лазеры на красителях бывают двух типов: с некогерентной (ламповой) оптической накачкой излучением импульсных ламп и импульсным режимом работы; а также с когерентной накачкой излучением лазеров других типов (газовых или твёрдотельных) при непрерывном, квазинепрерывном или импульсном режиме работы. Если в лазере применить смену красителей, а их известно больше тысячи, то таким способом можно "перекрыть" излучением всю видимую и часть ИК области спектра (0,33-1,8 мкм). В лазерах с когерентной накачкой для получения непрерывного режима в качестве источников накачки используются ионные Ar- или Kr-газовые лазеры. Для накачки красителей в импульсном режиме применяют газовые лазеры на N2, парах меди, эксимерах, а также лазеры на рубине и неодиме с умножением частоты. Часто приходится использовать прокачку раствора красителя, благодаря чему из активной зоны выводятся молекулы, подвергшиеся диссоциации под действием излучения накачки, и вводятся свежие.