Исследование спектральных свойств кристалла Tm:CaF2
Курсовой проект - Компьютеры, программирование
Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование
?ия 3H6 на уровень 3H4. Заселение верхнего лазерного уровня 3F4 происходит, в основном, за счет кросс-релаксационных процессов 3H4 3F4 и 3H6 3F4.
Высокая эффективность преобразования излучения накачки в излучение генерации на длине волны 1,8 мкм (высокий квантовый выход) достигается в кристалле Tm: CaF2, в основном, благодаря кросс-релаксационным переходам, обусловленным взаимодействием ионов Tm3+ между собой. В общем случае, заселение рабочего уровня 3F4 рабочего лазерного перехода кристаллов Tm: CaF2. может осуществляться как за счёт межионного диполь-дипольного взаимодействия так и за счёт внутрицентрового распада и излучательных переходов (рис. 3.1). Однако, вероятность кросс-релаксационного процесса значительно превосходит вероятности излучательного перехода и безызлучательной релаксации. Процесс заселения верхнего рабочего перехода за счёт кросс-релаксационного процесса можно описать следующим образом. Поглощение кванта накачки на длине волны 790 нм переводит ион тулия из основного состояния 3Н6 на уровень 3Н4. Далее, в результате диполь-дипольного взаимодействия возбужденного и невозбужденного ионов Tm+3, происходят кросс-релаксационные переходы: 3Н4>3F4; 3Н6>3F4. Таким образом, один поглощённый квант накачки переводит на верхний уровень лазерного перехода иона тулия. Потери энергии возбуждения происходят из-за ветвления люминесценции с уровня 3Н4, поглощения из возбуждённого состояния на более высокие уровни или ап-конверсии (при взаимодействии двух возбуждённых ионов Tm+3) [3].
Для изучения возможности создания лазера на кристалле Tm: CaF2. были получены спектры пропускания кристалла в двух диапазонах - диапазоне накачки (переход 3H6 3H4) (рис. 3.2) и диапазоне генерации (переход 3F4 3H6) (рис. 3.3).
На рис. показан спектр поглощения Tm3+:CaF2, полученный вблизи 700 нм для 3% и 4,8% концентрации ионовTm3+, две линии, которые наблюдаются вблизи длин волн 680 и 780 нм соответствуют характерным переходам 3H6>3F3, 3F2 и 3H6>3H4 это поглощательные переходы ионов Tm3+. Из графиков видно, что спектр сильно зависит от концентраций допрующего элемента.
Рис. 3.2. Спектры пропускания двух образцов кристалла CaF2 в диапазоне накачки
Рис. 3.3. Спектры пропускания двух образцов кристалла CaF2 в диапазоне генерации
На основе полученных графиков нами был сделан вывод о возможности использования имеющейся в наличии линейки диодных лазеров (средняя мощность до 30 Вт, длина волны излучения 795 нм) для накачки данного кристалла, а по спектру пропускания кристалла в области перехода 3F4 3H6 были сделаны теоретические предсказания о возможной области генерации лазера. Об этом речь пойдет ниже.
2.2 Исследование спектрально-оптических характеристик в диапазоне генерации
Генерация происходит при переходах ионов Tm3+ на штарковские подуровни основного состояния (рис. 3.1). Таким образом, лазер на основе кристалла Tm: CaF2 работает по квазитрехуровневой схеме. Населённости штарковских подуровней, находящихся в термодинамическом равновесии, можно найти как:
, (3.1)
где i - номер подуровня, Nm - населенность энергетического уровня, gmi - статистический вес подуровня, Fmi - больцмановский фактор, равный:
, (3.2)
где i - номер подуровня, T - температура кристалла, k - постоянная Больцмана. Статсумма для уровня m Zm определяется по формуле:
(3.3)
Будем считать, что gmi =1 для всех подуровней.
Интенсивность излучения, проходящего через рабочую среду длиной l, имеет экспоненциальную зависимость:
, (3.4)
где nн, nв gн, gв - населённости и кратности вырождения нижнего и верхнего уровней лазерного перехода, а - сечение перехода.
Сомножитель показателя экспоненты
(3.5)
называют инкрементом (или коэффициентом усиления ), если , а в случае, когда - декрементом (или коэффициентом поглощения , взятым со знаком -).
Обозначим для простоты уровень 3H6 как уровень 1, а 3F4 как уровень 2. Вследствие того, что нижний и верхний уровни лазерного перехода в кристалле Tm: CaF2 расщеплены, а их населённость распределена согласно (3.1), уравнение (3.5) выглядит следующим образом:
, (3.6)
где N1 и N2 - населённости, а F1 и F2 - больцмановские факторы уровней 1 и 2, определяемые согласно (3.2).
Для удобства определения усиления и потерь часто вводятся эффективные сечения:
и (3.7)
Тогда эффективные сечения излучения и поглощения связаны соотношением:
, где , (3.8)
где DE - разность энергий нижних штарковских подуровней уровней 1 и 2.
Принимая во внимание, что получаем:
(3.9).
Для кристалла Tm: CaF2 значение , а 5750 см-1.
Уравнение (3.6) можно написать в следующем виде:
(3.10)
Таким образом, введение эффективных сечений излучения и поглощения позволяет определить коэффициенты усиления и поглощения без вычисления больцмановского распределения населённостей верхнего и нижнего уровней лазерного перехода. Нахождение и также не требует учета распределения населённости по штарковским подуровням, при этом для кристалла Tm: CaF2 можно найти из экспериментально измеренного коэффициента поглощения.
Исследование спектров пропускания образцов Tm: CaF2 производилось с помощью фурье-спектрометра VARIAN 660 - IR с разрешающей способностью 1 нм. С помощью данной аппаратуры был получен спектр пропускания кристалла Tm: CaF2 в области 1,3 - 2,1 н