Создание лазера на кристалле YAlO3 с диодной накачкой и исследование генерационных характеристик
Контрольная работа - Компьютеры, программирование
Другие контрольные работы по предмету Компьютеры, программирование
Введение
Твердотельные лазеры, излучающие в двухмикронной области спектра, нашли практическое применение в медицине, химии и технологии дистанционного зондирования, а также в лазерных измерительных системах. Лазеры на основе кристаллов, активированных ионами Tm3+, представляют особый интерес, т. к. при полупроводниковой накачке может быть реализована высокая эффективность преобразования излучения накачки в лазерное излучение.
В настоящей работе исследованы спектрально-люминесцентные характеристики иона тулия в кристалле ортоалюмината иттрия и наблюдалась генерация вынужденного излучения кристалла YAlO3, активированного тулием. Достаточно полно исследованы лазерные системы на кристалле Tm:YLF. Достоинством матрицы YLiF4 является отрицательная зависимость показателя преломления от температуры, что используется для частичной компенсации тепловой линзы, возникающей под действием накачки. Недостатком является большое время жизни ионов Tm3+ на верхнем уровне рабочего перехода, вследствие чего лазер на кристалле Tm:YLF работает в пичковом режиме генерации. Это ограничивает чувствительность методов лазерной спектроскопии с использованием данной среды. В кристалле YAlO3 время жизни ионов Tm3+ в возбужденном состоянии в несколько раз меньше [5], поэтому имеется возможность получения стационарного режима генерации.
Целью данной работы являлось создание лазера на кристалле YAlO3 с диодной накачкой и исследование генерационных характеристик.
1. Активная среда
.1 Схема накачки Tm3+
+ относится к группе редкоземельных элементов, оптические переходы Tm3+ происходят в 4f-оболочке. Распределение электронов в ионе Tm3+ такое: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 2p6 4d10 4f12 5s2 5p6.
Рассмотрим схему накачки Tm3+, находящегося в диэлектрическом кристалле. После того, как ион Tm3+ получил квант энергии накачки и перешел на уровень 3F4, он может оказаться на верхнем лазерном уровне 3H4 в результате одного из следующих процессов:
Безызлучательный переход 3F4 > 3H5 и безызлучательный переход 3H5 > 3H4
Излучательный переход 3F4 > 3H5 и безызлучательный переход 3H5 > 3H4
Излучательный переход 3F4 > 3H4
Кросс-релаксационный процесс: ион Tm3+, который перешел с уровня 3F4 на уровень 3H4, может отдать часть своей энергии соседнему иону Tm3+, находящемуся на основном уровне 3H6, и в результате оба иона окажутся на верхнем лазерном уровне 3H4. Этот процесс хорошо работает, если концентрация Tm3+ достаточно высокая.
Далее, переход 3H4 > 3H6 иона Tm3+ дает лазерную генерацию.
Рис.1. Нижние энергетические уровни Tm3+ в кристалле. Показаны переход накачки, излучательные и безызлучательные переходы, кросс-релаксационный процесс.
Табл.1. Сравнительные характеристики матриц Tm: YAP и Tm: YLF.
ПараметрTm: YAPTm: YLFКоэффициент поглощения, см-11,81,3Сечение усиления, см23,8 10-211 10-21Время жизни на верхнем уровне, мс4,414Зависимость показателя преломления от температуры, K-110,08 10-6-210-6
Достоинством матрицы YLF является отрицательная зависимость показателя преломления от температуры. Данная зависимость компенсирует влияние положительной линзы возникающей вследствие поперечного градиента температурного расширения кристалла под действием излучения накачки. В матрице YAP складываются, поэтому тепловая линза будет оказывать более сильное влияние на генерационные характеристики лазера.
На Рис.2. представлена зависимость фокусного расстояния тепловой линзы от мощности накачки. Видно, что с увеличением мощности накачки оптическая сила тепловой линзы возрастает. Величина тепловой линзы накладывает ограничение на длину резонатора. Если расстояние между одним из зеркал резонатора и серединой кристалла будет больше величины тепловой линзы, то резонатор станет неустойчивым. Устойчивость конфигурации используемого в эксперименте резонатора с внутрирезонаторной тепловой линзой характеризуется параметрами:
,
где d2,1 - расстояния между зеркалом и серединой кристалла. Если d1 зафиксировать, то при значениях d2 больше fт.л. произведение g1,2 станет меньше нуля и резонатор станет неустойчивым. Неустойчивость означает, что световые лучи при последовательном отражении от зеркал удаляются от осирезонатора, что приводит к возрастанию дифракционных потерь и должно сопровождаться снижением эффективности генерации.
Рис.2. Зависимость фокусного расстояния тепловой линзы от мощности накачки.
Преимуществом матрицы YAP является меньшее время жизни на верхнем уровне 3H4 лазерного перехода, что может обеспечить большую временную стабильность мощности генерации.
.2 Основные характеристики кристалла
: Tm3+ является двухосным анизотропным кристаллом, имеет положительную зависимость показателя преломления от температуры, что должно сказаться на большей величине наводимой накачкой тепловой линзе, по сравнению с матрицей YLF. Основные характеристики приведены в таблице 2.
Табл.2. Основные характеристики кристалла.
ПлотностьРазмеры ячейкиа = 5,167 b = 5,307 c = 7,355 Коэффициент термического расширения9,5 вдоль оси а 4,3 вдоль оси b 10,8 вдоль оси сТеплопроводность0,11 Коэффициент преломления=1,929 =1,943 =1,952Изменение коэффициента преломления, = 9,7 = 14,5Симметрия положения катионов Диапазон прозрачности220… 6500 нм
Поскольку кристалл анизотропный, то он имеет по трем кристаллографическим осям разные оптические и тепловые характеристики (показатель преломления, температурная зависимость показателя пре