Технические разделы

Создание лазера на кристалле YAlO3 с диодной накачкой и исследование генерационных характеристик

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 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.

Параметр

Tm: YAP

Tm: YLF

Коэффициент поглощения, см-1

1,8

1,3

Сечение усиления, см2

3,8 × 10-21

1 × 10-21

Время жизни на верхнем уровне, мс

4,4

14

Зависимость показателя преломления от температуры, K-1

10,08 × 10-6

-2×10-6

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.

Еще статьи по технике и технологиям

Широкополосное высокочастотное устройство коммутации
Понятие фильтра было введено в 1915г. независимо друг от друга Дж. Кэмбеллом и К. Вагнером в связи с их исследованиями в области линий передачи и колебательных систем. С тех пор теория и технология фильтров непрерывно развивались ...

Синтезирование фильтров высоких частот методами Баттерворта и Чебышева
Фильтры - это частотно-избирательные устройства, которые пропускают или задерживают сигналы, лежащие в определенных полосах частот. До 60-х годов для реализации фильтров применялись, в основном, пассивные элементы, т. е. индуктивности, ...

© 2018 | www.techexpose.ru