laser cu stare solidă. Materiale cu laser în stare solidă

Acest articol arată care sunt sursele de radiație monocromatică și ce avantaje are un laser cu stare solidă față de alte tipuri. Aici este descris cum are loc generarea de radiații coerente, de ce dispozitivul pulsat este mai puternic, de ce este nevoie de gravare. Se discută, de asemenea, cele trei elemente esențiale ale laserului și principiul funcționării acestuia.

Teoria zonei

Înainte de a vorbi despre modul în care funcționează un laser (în stare solidă, de exemplu), ar trebui luate în considerare câteva modele fizice. Toată lumea își amintește din lecțiile de la școală că electronii sunt localizați în jurul nucleului atomic pe anumite orbite sau niveluri de energie. Dacă avem la dispoziție nu un atom, ci mulți, adică luăm în considerare orice corp volumetric, atunci apare o dificultate.

În consecință, într-un corp dat cu aceeași energie poate exista doar un electron. Mai mult, chiar și cel mai mic grăunte de nisip conține un număr mare de atomi. În acest caz, natura a găsit o cale de ieșire foarte elegantă - energia fiecărui electron diferă de energia celui vecin printr-o cantitate foarte mică, aproape de nediferențit. În acest caz, toți electronii de același nivel sunt „comprimați” într-o bandă de energie. Zona în care se află electronii cei mai îndepărtați de nucleu se numește zonă de valență. Zona care o urmează are o energie mai mare. În ea, electronii se mișcă liber și se numește bandă de conducție.

Emisia si absorbtia

Orice laser (în stare solidă, gaz, chimic) funcționează pe principiile tranziției electronilor de la o zonă la alta. Dacă lumina cade pe corp, atunci fotonul conferă electronului suficientă putere pentru a-l pune într-o stare de energie mai mare. Și invers: atunci când un electron trece din banda de conducție în banda de valență, emite un foton. Dacă substanța este un semiconductor sau dielectric, benzile de valență și de conducere sunt separate printr-un interval în care nu există un singur nivel. În consecință, electronii nu pot fi acolo. Acest interval se numește band gap. Dacă fotonul are suficientă energie, atunci electronii sar peste acest interval.

Generaţie

Principiul de funcționare laser cu stare solidă se bazează pe faptul că așa-numitul nivel invers este creat în banda interzisă a unei substanțe. Durata de viață a unui electron la acest nivel este mai lungă decât timpul petrecut în banda de conducție. Astfel, într-o anumită perioadă de timp, electronii se „acumulează”. Aceasta se numește populație inversă. Când un foton cu lungimea de undă dorită trece de un astfel de nivel, punctat cu electroni, determină generarea simultană a unui număr mare de unde luminoase de aceeași lungime și fază. Adică, electronii dintr-o avalanșă trec toți simultan în starea fundamentală, generând un fascicul de fotoni monocromatici de o putere suficient de mare. Trebuie menționat că principala problemă a dezvoltatorilor primului laser a fost căutarea unei astfel de combinații de substanțe pentru care ar fi posibilă o populație inversă a unuia dintre niveluri. Rubinul aliat a devenit prima substanță de lucru.

Compoziție cu laser

Un laser cu stare solidă nu diferă de alte tipuri în ceea ce privește componentele sale principale. Corpul de lucru, în care se realizează populația inversă a unuia dintre niveluri, este iluminat de o sursă de lumină. Se numește pompare. Adesea, aceasta poate fi o lampă incandescentă obișnuită sau un tub cu descărcare în gaz. Două capete paralele ale fluidului de lucru (un laser cu stare solidă înseamnă un cristal, un laser cu gaz înseamnă un mediu rarefiat) formează un sistem de oglinzi sau un rezonator optic. Acesta colectează într-un fascicul doar acei fotoni care merg paralel cu ieșirea. Laserele cu stare solidă sunt de obicei pompate folosind lămpi bliț.

Tipuri de lasere cu stare solidă

În funcție de modul în care iese fasciculul laser, există lasere continue și pulsate. Fiecare dintre ele își găsește aplicație și are propriile sale caracteristici. Principala diferență este că laserele cu stare solidă pulsate au o putere mai mare. Deoarece pentru fiecare fotografie fotonii par să se „acumuleze”, un impuls este capabil să furnizeze mai multă energie decât generarea continuă într-o perioadă similară de timp. Cu cât impulsul durează mai scurt, cu atât este mai puternică fiecare „împușcătură”. În acest moment, este posibil din punct de vedere tehnologic să construiți Unul dintre impulsurile sale durează aproximativ 10 -15 secunde. Această dependență este legată de faptul că procesele de retropopulare descrise mai sus durează foarte, foarte puțin. Cu cât este nevoie să aștepte mai mult înainte ca laserul să „trage”, cu atât mai mulți electroni au timp să părăsească nivelul invers. În consecință, concentrația de fotoni și energia fasciculului de ieșire scad.

Gravare cu laser

Modelele de pe suprafața obiectelor din metal și sticlă împodobesc viața de zi cu zi a unei persoane. Pot fi aplicate mecanic, chimic sau cu laser. Ultima metodă este cea mai modernă. Avantajele sale față de alte metode sunt următoarele. Deoarece nu există un impact direct asupra suprafeței care trebuie tratată, este aproape imposibil să deteriorați un lucru în procesul de aplicare a unui model sau inscripție. Raza laser arde caneluri foarte puțin adânci: suprafața cu o astfel de gravură rămâne netedă, ceea ce înseamnă că lucrul nu este deteriorat și va dura mai mult. În cazul metalului, fasciculul laser modifică însăși structura substanței, iar inscripția nu va fi ștearsă mulți ani. Dacă un lucru este folosit cu atenție, nu este scufundat în acid și nu este deformat, atunci pentru câteva generații modelul de pe el va fi cu siguranță păstrat. Cel mai bine este să alegeți un laser cu impulsuri în stare solidă pentru gravare din două motive: procesele în stare solidă sunt mai ușor de controlat și este optim în ceea ce privește puterea și prețul.

Instalare

Există setări speciale pentru gravare. Pe lângă laserul în sine, ele constau din ghidaje mecanice de-a lungul cărora se mișcă laserul și echipamente de control (calculator). Mașina cu laser este utilizată în multe ramuri ale activității umane. Mai sus, am vorbit despre decorarea obiectelor de uz casnic. Tacâmurile nominale, brichetele, paharele, ceasurile vor rămâne mult timp în familie și vă vor aminti de momente fericite.

Cu toate acestea, nu numai produsele de uz casnic, ci și produsele industriale au nevoie de gravare cu laser. Marile fabrici, precum automobile, produc piese în cantități uriașe: sute de mii sau milioane. Fiecare astfel de element ar trebui marcat - când și cine l-a creat. Nu există o modalitate mai bună decât gravarea cu laser: numerele, timpul de producție, durata de viață vor rămâne mult timp chiar și pe piesele în mișcare, pentru care există un risc crescut de abraziune. Mașina laser în acest caz ar trebui să se distingă prin putere crescută, precum și prin siguranță. La urma urmei, dacă gravura schimbă proprietățile unei piese metalice chiar și cu o fracțiune de procent, ea poate reacționa diferit la influențele externe. De exemplu, rupeți la locul de aplicare a inscripției. Cu toate acestea, pentru uz casnic, este potrivită o instalare mai simplă și mai ieftină.

LASER STARE SOLIDĂ-laser, în Krom mediu activ sunt active. dielectric cristale şi pahare sau dielectric. cristale cu propriile lor defecte punctiforme. Ionii elementelor pământurilor rare sau ionii din grupul fierului servesc de obicei ca activatori ai cristalelor și paharelor. Defectele proprii ale cristalelor apar sub influența ionizatorilor. sau prin colorare aditivă. Energie nivelurile de activatori sau defectele intrinseci sunt utilizate pentru a crea o populație inversă (vezi Fig. electronică cuantică).

Conform tradiției existente, laserele bazate pe cristale semiconductoare sunt alocate unei clase speciale (vezi Fig. laser semiconductor) datorită specificului lor inerent de excitare și formare a inversării populației la tranzițiile dintre permise energetic. zone (vezi teoria zonei). Inversarea populaţiei într-un mediu activ T. l. optic realizat. pompare-iluminare a elementului activ (AE) spec. lămpi, radiații solare, radiații pirotehnice. dispozitive sau radiații ale altor lasere, în special cele semiconductoare.

Generația T. l. realizat conform unei scheme cu trei sau patru niveluri (vezi. Pompare).AE ale acestor lasere au de obicei forma unui cilindru circular sau a unei tije dreptunghiulare. secțiuni. Uneori sunt utilizate și AE cu configurații mai complexe. Naib. Designul lui T. l. a devenit larg răspândit, în care un AE cilindric, împreună cu o lampă cu pompă cu descărcare în gaz, este plasat într-o cameră de iluminare care concentrează radiația lămpii pompei în AE. Datorită reflexiilor multiple ale radiației pompei din interior. pe suprafața camerei de iluminare se realizează o absorbție mai completă a acesteia în AE. Se folosesc iluminatoare în care o lampă cu pompă funcționează pe mai multe AE sau, dimpotrivă, un AE este pompat de mai multe sau mai multe lămpi. Gama de lungimi de undă de generație T. l. se extinde de la UV la mijlocul IR. T. l. funcționează în moduri pulsate, continue și cvasi-continue (vezi Laser).În existenta T. l. puterea de generare in regim continuu poate ajunge la 1-3 kW la sp. ieșire de energie ~ 10 W de la 1 cm 3 de mediu activ la o eficiență de ~ 3%. mier o putere de 10 3 W la o rată de repetare a impulsurilor de până la 100 Hz se realizează în T. l. puls-periodic. acțiuni în modul de generare liberă cu o durată a impulsului de 10 -3 10 -4 s.

T. l. funcționează cu succes în modul de modulare, ceea ce face posibilă generarea de impulsuri gigantice, a căror durată și energie depind de viteza de pornire a obturatorului și de proprietățile mediului activ. Valorile obișnuite pentru durata unor astfel de impulsuri sunt (1 - 10). 10 -8 s. Puterea lor de vârf este limitată de optic. elemente active și pasive, care se ridică de obicei la ~ 5 10 2 MW la 1 cm 2 de suprafață. Optica volumetrica rezistența materialelor laser este de obicei mai mare. Comutarea Q a rezonatorului se realizează atât pasiv (absorbante saturabile), cât și activ (modulatoare electro- și acusto-optice). Uneori folosit și mecanic. modulatori, de exemplu. prismă rotativă.

Un raport mare al lățimii circuitului de amplificare T. l. iar frecvența intermodală (~ 10 3) face destul de ușoară implementarea modului de blocare a modului și obținerea de impulsuri ultrascurte cu o durată de 10 -11 - 10 -13 s, limitate de lățimea reciprocă a liniei de câștig. La fel ca modulația, blocarea modului în T. l. desfășurate atât activ cât și pasiv. T. l. poate funcționa și în modul amplificator de radiații. În același timp, coeficientul câştigul liniar poate atinge o valoare de 0,5-0,7 cm -1 .

Efectul laser detectează un număr mare de decomp. cristale și pahare (câteva sute), dar de fapt operează T. l., care a găsit practic. aplicarea este mult mai mică. Printre acestea se numără un laser cu cristal de rubin, primul laser din lume creat în 1960 de T. Maiman (SUA).

Rubinul este un cristal de corindon Al 2 O 3 cu un amestec (0,05%) de ioni de Cr 3+, înlocuind în cristal-lich. rețea de ioni de Al. Laserul rubin funcționează conform unei scheme cu trei niveluri, în care nivelul 1 este cel principal. starea 4 DAR 2, nivelul 2 - banda 4 F 2 și 4 F 1, nivel 3 - dublet 2 E. Laserele cu rubin de mare putere folosesc tije rotunde dia. 2 cm și lungime. 20-30 cm.Un mod obișnuit de funcționare este în impulsuri, sunt implementate și comutarea Q, blocarea modului și amplificarea puterii. Lungimea de undă a laserului rubin este de 0,7 μm.

Naib. un activator comun al materialelor pentru T. l. sunt ioni Nd 3+ (vezi laser cu neodim). Laserele pe bază de sticlă de silicat și fosfat cu neodim sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie (vezi ref. Ochelari cu laser), generând radiații în regiunea de 1,05 μm. Principal Scopul laserelor pe bază de sticlă este generarea de impulsuri unice de mare putere. AE-urile din sticlă se caracterizează printr-o eficiență optică ridicată. calitate, poate avea un volum mare cu o formă dată a elementului. Laserele din sticlă fosfatată cu neodim generează cele mai puternice impulsuri de generație. Deci, la instalația „NOVA” (SUA), volumul total AE este de 2 10 6 cm 3 , s-au obținut impulsuri cu energie 4 10 4 J, durata ~10 -9 s, care corespunde unei puteri de 4. 10 13 marți. În a doua (l0,53 µm) și a treia (l0,35 µm) armonici ale frecvenței principale. tranziție cu aceeași durată a impulsului, energia este 2 10 4 J.

Naib. larg utilizat cristalin. matricea cu Nd 3+ este un cristal de granat de ytriu-aluminiu (YAG-Nd 3+), to-ry în naib. gradul se întâlnește cu modernul. cerințele electronicii cuantice și aplicațiile acesteia. Proprietățile spectro-luminiscente necesare ale acestui cristal sunt combinate cu succes cu proprietățile sale mecanice ridicate. rezistență, duritate, semnificativă (0,13 W/cm K); Laserele YAG-Nd 3+ funcționează în toate modurile enumerate mai sus. Pe ele au fost obținute capacități record de generare continuă. Generarea lungimii de undă YAG-Nd 3+ -laser bazat pe. tranziție de neodim l g = 1,064 μm. Dimensiunile tipice ale AE sunt de la 350 mm la 10120 mm.

Cristalele de aluminat de ytriu (YAlO 3 -Nd) și fluorură de litiu-itriu (LiYF 4 - Nd 3+) găsesc de asemenea aplicație. Cristalele de aluminat de ytriu sunt preferate față de cristalele YAG-Nd 3+ pentru operația de modulare. factor de calitate, care este asociat cu o valoare mai mică a secțiunii transversale a principalului. generaţie tranziție și, în consecință, cu scăderea influenței superluminiscenței și a posibilității de a acumula mai multă energie la nivelul laserului superior.

Distinge. caracteristicile unui cristal de fluorură de litiu-ittriu cu neodim sunt negative. magnitudinea si abdomenul mic. valoarea b= dn/dT- coeficient de temperatura indicele de refracție n(b \u003d - 4,3. 10 -6 K -1 pentru p-polarizare și b \u003d -2,2 10 -6 K -1 pentru s-polarizare; pentru un cristal YAG, de exemplu, b \u003d 7,3 10 - 6 K -1). Această împrejurare slăbește semnificativ manifestările termoopticei. efecte, în special efectul termo-optic indus. lentile, care măresc luminozitatea spațială a radiației laser. Lungimea de undă de generare a laserului pe baza cristalului LiYF 4 -Nd 3+ este deplasată în comparație cu lungimea de undă de generare a laserului YAG-Nd 3+ pe partea cu lungime de undă scurtă (lg = 1,053 μm pentru polarizare s și lg = 1,047 pentru p-polarizare), ceea ce permite eff. funcționarea unui astfel de laser cu un amplificator pe bază de sticlă. Eficiența laserelor cu neodim bazate pe aceste cristale, de regulă, nu depășește 2-4% în modul de rulare liberă și 2% în modul Q-switched.

Noi posibilități ale ionilor de crom trivalenți ca particule active de TL. a apărut în cristale de alexandrit (BeAl 2 O 4). Spre deosebire de un cristal de rubin, generarea de ioni Cr 3+ în alexandrit are loc nu numai pe linia de tranziție 2 cu zero fonon. E- 4 DAR 2, dar și pe oscilație electronică. trecere 4 F 2 - 4 A 2. În același timp, T. l. funcționează conform unei scheme pe patru niveluri și face posibilă reglarea fără probleme a lungimii de undă de generație. Interval de acordare tipic: 730-803 nm.

O caracteristică a laserului cu cristal alexandrit este îmbunătățirea energiei. caracteristici cu încălzirea AE peste temperatura camerei, care se datorează unei creșteri a valorii eff cu temperatura. secțiunea de generație. tranziție. Încălzirea AE în acest laser duce, de asemenea, la o extindere a gamei de reglare a lungimii de undă generației către partea lungimii de undă. Laserul cu cristal alexandrit funcționează și în toate modurile menționate mai sus, inclusiv în modul cu turații mari. putere, care este facilitată de conductibilitatea termică ridicată a acestui cristal (0,23 W / cm K).

O reglare lină a lungimii de undă de generare este asigurată de un laser pe un cristal de corindon cu titan (Al 2 O 3 - Ti 3+). Interval de reglare tipic: 700-1024 nm. Scăderea duratei de viață a stării excitate a Ti 3+ (3 μs) la temperatura camerei face ca pomparea lămpii acestui laser să fie ineficientă. Pomparea laserului Al 2 O 3 -Ti 3+, de regulă, se realizează fie cu un laser cu argon cw, fie prin impulsuri ale armonicii a doua a unui laser cu neodim. În acest caz, eficiența transformării radiației de pompare cu laser în generarea de ioni de titan poate depăși 20%.

Reglarea lungimii de undă de generație într-un interval spectral larg este efectuată în lasere bazate pe centre de culoare (vezi Fig. Laseruri de centru de culoare), care funcționează de obicei cu pomparea cu un alt laser.

La creaturi. creşterea eficienţei T. l. a citat realizarea abilităților donorului ionilor Cr 3+ în raport cu ionii trivalenți ai elementelor pământurilor rare (vezi. luminescență sensibilizată) în cristale de granat. Capacitatea izomorfă ridicată a acestor cristale pentru ionii de pământuri rare și ionii din grupa fierului permite introducerea concentrațiilor necesare ambelor tipuri de particule fără a compromite optica. calitatea cristalelor (vezi izomorfism). Specific energetic. Structura ionilor de Cr 3+ din cristalele de granat asigură un transfer complet și rapid de energie din oscilațiile sale electronice. benzi în partea de sus niveluri cu laser ionii elementelor pământurilor rare.

La familia de granate care conțin crom, lucrând pe principal. tranziția neodimului în regiunea de 1,06 μm, în primul rând cristale de granate gadoliniu-scandiu-galiu (GSGG), ytriu-scandiu-galiu (IGG) și gadoliniu-scandiu-aluminiu (GSAG). Aceste cristale sunt proiectate pentru funcționare în impulsuri și cu puls periodic. Într-un laser bazat pe un cristal HSHG-Cr 3+ -Nd 3+ în regim de rulare liberă în regiunea pompei de 1–3 J, se atinge o eficiență de 6%. Pe un cristal ICGG-Cr 3+ -Nd 3+ sub pompare 200 J abs. eficiența ajunge la 10% în modul de generare gratuită. ISGG- Cr 3+ -Nd 3+ -laser în modul Q-switched și rata de repetare a pulsului de până la 50 s -1 asigură abs. eficiență 6% la o energie pe impuls de 0,4 J, care este limitată de optic. puterea capătului AE. Lungimea de undă de radiație a acestui laser (1,058 μm) este în acord cu circuitul de amplificare al sticlei fosfatate cu neodim, ceea ce face posibilă utilizarea eficientă a acestei perechi în sistem: oscilator principal - amplificator. Cristalul GSAG-Cr 3+ -Nd 3+ are proprietăți spectrale și luminiscente similare cu proprietățile cristalelor HSHG-Cr 3+ -Nd 3+ și IGG-Cr 3+ -Nd 3+. În acest caz, conductivitatea termică a acestui cristal (0,11 W/cm K) se apropie de conductibilitatea termică a cristalului YAG.

Unda lungă eff. generația T. l. cu pompare lampa (la temperatura camerei) 33,5 µm. La energii inferioare. lacunele, probabilitatea tranzițiilor neradiative multifonon se dovedește a fi mult mai mare decât probabilitatea radiației, ceea ce duce la valori mici ale randamentului cuantic și a duratei de viață a stării excitate. Această lungime de undă este asigurată, de exemplu, de tranziția 4 eu 11/2 4 eu 13/2 ioni de erbiu (Er 3+). Generarea de radiații de către ionii Er 3+ sub pomparea lămpii cu o eficiență de peste 1% a fost obținută pe cristale YAG-Er 3+ și ICGG-Cr 3+ -Er 3+. În primul caz, lungimea de undă de generare l g = 2,94 μm; în al doilea l g = 2,79 µm. A fost implementat un mod de comutare Q cu o rată de repetare a pulsului de până la 100 s -1.

Dezvoltarea laserelor cu semiconductori a făcut ca utilizarea lor să fie promițătoare pentru pomparea T. l. Laserele semiconductoare (PL) pe bază de monocristale de arseniură de galiu prin modificarea compoziției fac posibilă obținerea unei generații în regiunea de 0,751 μm, ceea ce face posibilă excitarea eficientă a generării pe Nd 3+, Tm, Ho 3+, Er 3+ și ionii Yb 3+. Pomparea prin radiație PL este aproape de rezonanță, ceea ce înseamnă. gradul elimină problema termică indusă. distorsiune în AE și face relativ ușoară obținerea unei directivitati extrem de ridicate a fasciculului laser. Generarea continuă a fost obținută pe ionii Ho 3+ (l g 2,1 μm), Tm 3+ (l g 2,3 μm), Er 3+ ( l g 2,9 µm), precum și decomp. tranziții ale ionilor Nd 3+. Pragul de laser cu privire la puterea pompei se ridică în unele cazuri la câțiva miliwați. Deci, de exemplu, pragul de generare pe ionii Ho 3+ din cristalul YAG-Tm 3+ -Ho 3+ este de 4 MW, iar pragul de generare pe principal. tranziția ionilor de Nd 3+ în sticlă nu depășește 2 mW. Generarea celei de-a doua armonice a fost obținută pe un număr de cristale cu neodim. Pe baza În joncțiunea de neodim, sunt implementate modurile de comutare Q și de blocare a modului. Eficiența globală a unui laser cu neodim cw pompat de radiația PB la o lungime de undă de generație de 1,06 μm atinge 20%.

T. l. pompat PL combină avantajele laserelor cu stare solidă și semiconductoare. De altfel, mediul activ al lui T. l. este eff. Concentrator de radiații PL în termeni de spectru, timp și spațiu. Este de așteptat dezvoltarea rapidă a acestei zone de construcție cu laser.

Dezvoltarea lui T. l., lucrând în înaltă cf. puterea (domenii de subkilowați și kilowați), este asociată cu înlocuirea AE-urilor cilindrice cu altele dreptunghiulare, în care trece radiația laser, fiind reflectată în mod repetat de pe suprafețele laterale ale AE. În acest caz, eterogenitatea descomp. natura, indusă de pompare, se dovedește a fi compensată și are un efect redus asupra calității fasciculului de ieșire.

Aplicații T. l. extrem de variat. Acestea sunt tehnologia laser (sudare, tăiere etc.), tehnologia dispozitivelor electronice, medicamente, localizare laser, sisteme de monitorizare a compoziției atmosferei, optice. procesarea informațiilor, integrată și fibră optică, spectroscopie laser, diagnosticare cu laser a plasmei și fuziunii termonucleare controlate, chimie laser și separare a izotopilor laser, optică neliniară, fotografie de mare viteză, giroscoape laser, seismografe și alte fizice precise. aparate.

Lit.: 1) Manual de lasere, trad. din engleză, ed. A. M. Prokhorova, vol. 1, M., 1978, cap. 11 - 15; 2) Karlov N.V., Lectures on Quantum Electronics, ed. a II-a, M., 1988; 3) A. M. Prokhorov, New generation of solid-state lasers, UFN, 1986, v. 148, p. 7; 4) Prokhorov A. M., Shcherbakov I. A., Lasere pe bază de cristale de granate din pământuri rare cu crom, Izv. 1341; 5) Proceedings OSA privind laserele avansate cu stare solidă. 7-10 februarie 1994 în Salt Lake City, UT, v. douăzeci. I. A. Shcherbakov.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Găzduit la http://www.allbest.ru/

Universitatea Națională de Cercetare Tehnologică

„Institutul de oțel și aliaje din Moscova”

Lucru de curs

pe tema „Materiale și elemente de tehnologie electronică”

La subiect: „Materiale ale laserelor cu stare solidă”

Efectuat

Elev gr.P4-08-2

Kakhanova K.A.

Verificat de Krutogin D.G.

Moscova, 2010

Introducere

Lasere cu stare solidă

Dispozitivul celui mai simplu laser cu stare solidă

Caracteristicile cristalelor utilizate pentru a genera radiații laser

1. Absorbția și amplificarea luminii

2. Condiții de prag pentru amplificarea luminii

3. Caracteristici energetice și eficiență laser

4. Ioni-activatori

5. Cerințe pentru cristale

Mediu activ al laserelor cu stare solidă

2. Ochelari activați

3. Grenade

4. Tungstați și molibdați

5. Laserele cu fibră

6. Aplicație TTL

Bibliografie

Introducere

Dezvoltarea tehnologiei laser este determinată în mare măsură de capacitățile acelor materiale pe baza cărora sunt create generatoare cuantice și sisteme de control al fasciculului optic. Una dintre cele mai importante grupuri de astfel de materiale sunt cristalele dielectrice. Timp de aproape 40 de ani de dezvoltare a opticii cuantice, sute de cristale au fost testate ca medii pentru generarea și controlul caracteristicilor radiației optice. Cu toate acestea, doar câteva dintre ele și-au găsit aplicare practică.

Lasere cu stare solidă(TTL)

Laserele cu stare solidă sunt lasere al căror element activ este format dintr-un dielectric , în stare solidă în condiții normale. Laserele semiconductoare sunt de obicei plasate într-un grup separat - acestea sunt lasere cu un element activ semiconductor.

Dispozitivul celui mai simplu laser cu stare solidă

În funcție de tip și scop, TTL poate avea un design diferit. Pe fig. 1 este dat cel mai simplu circuit emitent, inclusiv elemente TTL obligatorii.

Orez. 1. Schema optică a emițătorului celui mai simplu laser solid: 1-emițător; 2-oglinda surda; 3-quantron; oglinda cu 4 directii.

Caracteristicile cristalelor utilizate pentru a genera radiații laser

1. Absorbția și amplificarea luminii

Caracteristicile cristalelor ionice și ale elementelor cristaline utilizate pentru a crea generatoare cuantice sunt determinate de proprietățile optice ale cristalelor și de caracteristicile generării luminii. Pentru a introduce unele dintre cele mai importante caracteristici, ar trebui să luăm în considerare propagarea luminii într-un mediu, ținând cont de interacțiunea fotonilor și oscilatorilor cuantici.

Lăsați mediul (mediul activ sau corpul de lucru) să conțină oscilatori cuantici care pot fi localizați la niveluri de energie E 1 și E 2. Tranziția între aceste niveluri este însoțită de emisia sau absorbția unui cuantum de lumină hv= E 1 E 2 .

La echilibru, fiecare parte a volumului emite și absoarbe același număr de fotoni pe unitatea de timp.

La o densitate a fluxului de putere de 1 mW / cm 2 în regiunea vizibilă a spectrului, B 12 =10 -6 A 21 , adică chiar și la densități scăzute de putere de radiație, emisia stimulată este mult mai puternică decât emisia spontană.

2. Prag Condiții noi pentru amplificarea luminii

Pentru ca mediul să nu absoarbă, ci să amplifice lumina, este necesar să scoatem sistemul din echilibru și să obținem o populație inversă. N 2 >= N 1 .

Condiție N 2 = N 1 este condiția de prag pentru trecerea de la absorbție la amplificare fără a lua în considerare pierderile.

La excitarea (pomparea) unui sistem având doar două niveluri de energie E 1 Și E 2 , prin excitarea sistemului de către o cuantică hv = E 2 - E 1 , este imposibil să se obțină o populație inversă din cauza egalității ratelor de excitație și emisie. Pentru a obține o populație inversă, sistemul trebuie să aibă cel puțin încă un (al treilea) nivel.

Condiții de prag în modul pulsat

Sistem pe trei niveluri . Într-un sistem cu trei niveluri (Fig. 2), pomparea aduce activatorii la nivel 3 , de la care trec spontan, neradiativ la nivelul metastabil 2 . Pentru acumularea eficientă a activatorilor la nivel 2 durata de viață la acest nivel ar trebui să fie suficient de mare, adică acest nivel poate fi numit „metastabil” cu o populație n m. În viitor, nivelul 1 notat ca „principal” cu populația n 0 . Regimul pulsat se realizează dacă ciclul de lucru dintre impulsurile pompei este atât de mare încât epuizarea nivelului metastabil (luminiscența) are timp să treacă în acest timp.

Orez. 2. Scheme ale tranzițiilor principale în scheme cu trei (a) și patru nivele (b) ale unui generator cuantic optic. Săgeți duble - tranziții radiative, săgeți simple - tranziții non-radiative ( W n- viteza de pompare; I - radiație laser)

Pentru a transfera un număr atât de semnificativ de activatori (mai mult de jumătate din concentrația lor totală) într-o stare excitată și apoi într-o stare metastabilă, durata de viață la nivel metastabil trebuie să fie suficient de lungă. În caz contrar, vor fi necesare energii prea mari ale pompei. Acest lucru limitează semnificativ numărul de ioni care au o schemă pe trei niveluri și practic pot fi utilizați pentru a crea medii active. Această dificultate este eliminată în schema cu patru niveluri.

Schema pe patru niveluri . Restricția asociată cu cerința pentru o durată lungă de viață este parțial eliminată pentru activatorii cu patru niveluri de energie (Fig. 3). În această schemă, excitarea activatorului are loc de la un nivel stabil 1 la nivel 4 si acumulare la nivel metastabil 3 . Tranziția radiativă nu are loc la un nivel stabil, ci la un nivel intermediar. 2 , despărțit de grajd la o distanță de mai multe kT și, prin urmare, având o populație semnificativ mai mică. Prin urmare, în schema cu patru niveluri, populația inversă poate fi realizată la n m<< N/2.

Condiții de prag în modul continuu.

Sub pompare continuă, distribuția de nivel a activatorilor devine staționară. Populația de nivel poate fi găsită prin rezolvarea sistemului de niveluri cinetice pentru condiții staționare. Modificarea populației nivelurilor are loc spontan și este forțată sub acțiunea radiației pompei și a activatorului însuși. Dacă ratele de tranziție de la nivelul pompei la nivelul metastabil și de la nivelul intermediar la nivelul principal sunt suficient de mari, valorile n nȘi n P poate fi neglijat și se poate presupune că activatorii sunt în principal la nivelul solului și la nivel metastabil (N = n 0 + n m).

Diferența de populație pentru un laser cu patru niveluri poate fi determinată ținând cont de faptul că, în apropierea pragului, populația n P aproape de echilibru.

3. Caracteristicile energetice și eficiența laserului

Caracteristicile energiei de ieșire pentru un laser cu impulsuri este energia pulsului, iar pentru un laser continuu, puterea. Când populația de prag este atinsă, energia de ieșire este încă zero. Valoarea energiei de ieșire este determinată de excesul populației nivelului metastabil peste prag.

Eficiența unui laser poate fi definită ca raportul dintre energia de ieșire și energia pompei. În practică, este necesar să se determine randamentul luând în considerare energia pompei ca fiind energia consumată de laser la intrarea electrică. În acest caz, coeficienții care reprezintă eficiența sistemelor intermediare ar trebui să fie incluși în eficiență, în special, b este coeficientul de conversie a energiei electrice în energie radiantă în timpul pompării optice; Eficiența sistemului optic, care depinde de proiectarea sistemului optic; factorul de utilizare a radiației lămpii pompei în regiunea de absorbție spectrală a mediului activ.

4. Ioni-activatori

La laserele, care sunt acționate de cristale ionice, activatorii care asigură sistemul necesar de niveluri sunt fie impurități introduse special în cristal, fie ioni proprii. Adesea aceștia sunt ioni introduși în cristal sub formă de impurități, mai rar - ioni incluși în formula chimică a cristalului dat sau defecte intrinseci punctuale.

5. Cerințe pentru cristale

Cerințele pentru cristalele care sunt utilizate ca medii laser active decurg din condițiile de funcționare ale acestor cristale și din caracteristicile tehnologiei de fabricare a elementelor laser.

1. Cristalul laser trebuie să conțină ioni activatori cu sistemul de niveluri de energie necesar pentru generarea luminii. Ionii de activare pot intra în cristal ca componente principale, ca, de exemplu, în cristale (Y, Er) 3 Al 5 O 12 , KNdP 4 O 12 și NdAl 3 4 , sau ca ioni de substituție

2. Este firesc să se solicite transparența matricei cristaline în intervalul lungimilor de undă ale pompei și radiației laser. În caz contrar, eficiența laserului va fi redusă datorită absorbției radiațiilor utile de către matricea cristalină însăși.

3. Rezistenta mecanica ridicata a cristalului reduce probabilitatea fisurarii acestuia sub actiunea solicitarilor mecanice, care pot aparea nu numai din cauza neomogenitatii termice, ci si din motive pur mecanice atunci cand elementul laser este instalat in capul laserului. Proprietățile mecanice ale cristalului sunt de asemenea importante în prelucrare. Se știe că cu un material dur este mai ușor să se asigure o clasă înaltă de prelucrare.

4. Cristalul laser din capul laser este asortat structural cu alte materiale. Cu o astfel de conjugare în condiții de temperatură variabilă, ar trebui să se țină seama de coeficienții de dilatare termică atât ai materialelor laser, cât și ai materialelor structurale.

5. Nu în ultimul rând este cerința de fabricabilitate suficientă a cristalului. Termenul de „fabricabilitate” include o gamă foarte largă de proprietăți și caracteristici care fac posibilă obținerea unui cristal cu calitățile cerute și caracteristicile economice acceptabile la nivelul actual de tehnologie.

Posibilitatea de aplicare practică a cristalului este determinată de o combinație a proprietăților de mai sus. Pentru aceasta sau alta aplicație specială este necesar să se abată de la unele cerințe. De exemplu, cristalele de halogenură alcaline au caracteristici mecanice foarte scăzute, dar proprietățile unice ale centrelor lor de culoare le fac să fie promițătoare pentru crearea de lasere reglabile în frecvență și modulatoare de lumină fotocromatice.

activși eumiercuriși solidălasere

1. Rubin

Pentru prima dată, radiația laser a fost obținută folosind un cristal -. S-a dovedit a fi fondatorul unei familii de cristale, care rămân încă cele mai importante matrici laser cristaline, în ciuda faptului că generarea de lumină a fost deja obținută pe sute de cristale.

Rubinul este unul dintre primele cristale pentru care a fost posibilă stabilirea producției industriale. Pentru prima dată, cele mai mici cristale de rubin au fost obținute în 1837 de către Godin, ca urmare a calcinării unui amestec de sulfură de potasiu cu alumină într-un creuzet acoperit cu funingine.

Rubinul este un cristal de oxid de aluminiu în care unii dintre atomii de aluminiu sunt înlocuiți cu atomi de crom. În natură, Al 2 O 3 apare atât sub formă de cristale pure, transparente, numite corindon alfa, cât și colorate datorită prezenței impurităților în ele.

În tehnologia laser, se utilizează de obicei un rubin roz pal cu un conținut de crom de aproximativ 0,05%, ceea ce corespunde la 1,6 * 10 19 ioni Cr 3+ în 1 cm 3.

Cristalele de rubin au rezistență chimică ridicată, sunt ușor solubile în apă și foarte puțin solubile în fierbere acizii nitric sau fosforic.

Orez. Fig. 2. Structura cristalină a rubinului: a - structura Al2O3; b - structura celulei unitare a unui cristal de rubin.

Coeficientul de conductivitate termică al corindonului este foarte mare, iar în dependența sa de temperatură se observă un maxim în regiunea T = 40K. La temperatura azotului lichid, conductivitatea termică a corindonului alfa o depășește chiar și pe cea a cuprului.

Deoarece un cristal de rubin este anizotrop, indicele său de refracție depinde de polarizarea radiației.

Cel mai adesea, cristalele de rubin sunt cultivate prin metoda Verneuil și prin metoda Czochralski. Pentru a îmbunătăți calitățile optice ale cristalelor, recoacerea prin difuzie profundă este utilizată până la 1900 ° C timp de 24 de ore sau mai mult. Cu toate acestea, tehnologia existentă nu oferă cristale cu uniformitate optică ridicată și distribuție uniformă a cromului în secțiunea transversală a probei.

Cristalele de rubin sunt relativ rezistente la radiații puternice. Sub acțiunea radiației laser de mare putere, în primul rând, suprafețele de capăt sunt distruse. Densitatea de putere de prag a distrugerii suprafeței rubinului depinde de durata pulsului, de defecte și de structura suprafeței de capăt. În intervalul de impulsuri scurte (t imp<10 -5 с) пороговая мощность поверхностного разрушения пропорциональна длительности импульса. Для длинных импульсов пороговая мощность не зависит от t имп и равна приблизительно 10 4 Вт/мм 2 .

Elementele laser rubin sunt de obicei realizate sub formă de tije, a căror axă longitudinală formează un unghi de 90 sau 60 ° cu axa optică a cristalului. Radiația generată în astfel de probe este polarizată liniar cu un vector electric perpendicular pe planul care conține axa optică a cristalului și axa cilindrului. În probele cu orientare zero a axei optice, radiația este nepolarizată; cu toate acestea, creșterea unor astfel de cristale este asociată cu mari dificultăți tehnologice.

2. Ochelari activați

Alături de cristale, mediile active pe bază de sticlă dopată cu diverse elemente de pământuri rare sunt utilizate pe scară largă în tehnologia laser. Avantajele ochelarilor ca materiale active laser includ:

1. Fabricabilitatea, ușurința producției de mostre de dimensiuni mari de o formă dată,

2. Ieftinitatea materiilor prime și posibilitatea producției în masă a produselor cu proprietăți reproductibile specificate,

3. O uniformitate optică ridicată a probelor de dimensiuni mari,

4. Izotropia proprietăților și uniformitatea compoziției,

5. Posibilitatea introducerii activatorului in concentratiile cerute cu distributia sa uniforma in volum.

În același timp, în comparație cu cristalele, sticla are dezavantaje, care includ:

1. Conductivitate termică scăzută și coeficient de temperatură ridicat de expansiune liniară,

2. O zonă limitată de transparență (0,33...2,5 µm), care poate deveni și mai îngustă odată cu introducerea de impurități.

3. Rezistență fotochimică relativ slabă.

O comparație a proprietăților cristalelor și sticlelor arată că aceste materiale se completează reciproc și, prin urmare, sunt la fel de importante pentru tehnologia laser.

Posibilitatea de a obține elemente active optic perfecte de dimensiuni mari face posibilă obținerea unor energii de impuls de ieșire foarte mari de la laserele de sticlă (până la câteva mii de Jouli). În plus, datorită omogenității optice ridicate a materialului activ, eficiența generatoarelor de sticlă poate fi mai mare decât cea a generatoarelor de cristale. În același timp, deficiențele sticlelor, în special conductivitatea termică scăzută, limitează aplicarea lor în principal la generatoarele cu o putere medie de radiație scăzută, adică. cu o rată scăzută de repetare a pulsului.

Paharele sunt clasificate în funcție de bază - anionul care formează sticla - și în funcție de conținutul de oxizi - modificatori. Dacă componenta principală a sticlei este cuarțul, atunci sticla se numește silicat; borax sau anhidridă borică - borat; sticla cu un continut ridicat de PbO se numeste sticla cu plumb etc.

Alături de sticlele de silicat, sticlele de fosfat sunt de mare importanță în electronica cuantică, deoarece permit o sensibilizare eficientă. De asemenea, se utilizează fluoroberilat teks, a cărui bază este BeF2. Diferența lor față de alte grupuri se datorează faptului că acești ochelari se bazează nu pe oxigen, ci pe compuși de fluor. Compozițiile paharelor cu fluoroberilat pot fi diferite.

Tehnologia de producere a ochelarilor cu laser este aproape aceeași cu tehnologia convențională pentru producerea sticlei optice de înaltă calitate, dar cerințele pentru puritatea materiilor prime, uniformitatea optică și perfecțiunea sticlei sunt semnificativ crescute. Cerințele stricte pentru puritatea materiilor prime se datorează faptului că prezența impurităților, în special a metalelor grele, duce la apariția unei absorbții inactive nedorite.

Dezavantajele ochelarilor includ stabilitatea fotochimică relativ slabă și stabilitatea termică scăzută. Sub acțiunea radiației pompei, în sticlă au loc diverse procese fotochimice, ducând la apariția unei absorbții inactive suplimentare. În special, sub acțiunea radiațiilor ultraviolete, fierul feric este redus la fier feros, care absoarbe radiația în regiunea de 1,06 μm. Ca urmare, sticla activată cu neodim îmbătrânește, ceea ce constă în lichefierea treptată a caracteristicilor sale de generație până când generația dispare. Acest efect poate fi redus prin utilizarea unor filtre speciale de sticlă sau soluții de filtrare care absorb o parte a spectrului mai scurtă de 0,4 µm.

Conductibilitatea termică scăzută și coeficientul termic ridicat de dilatare liniară duc la apariția deformațiilor și solicitărilor în timpul funcționării, care pot provoca deteriorarea parametrilor de radiație și distrugerea elementului activ. Birefringența indusă afectează distribuția intensității pe secțiunea transversală a fasciculului și poate provoca polarizarea radiației generate.

Influența distorsiunilor termice depinde în mod esențial de geometria elementului activ. Distorsiunile termice pentru radiația polarizată plană sunt minime pentru eșantioanele cu secțiune transversală dreptunghiulară, deoarece cu o astfel de geometrie a probei apar gradienți de temperatură predominant liniari.

În acest sens, în amplificatoarele și oscilatoarele de mare putere pe sticlă, este indicat să se utilizeze corpuri active de secțiune transversală dreptunghiulară, unde birefringența indusă are un efect mai mic.

3. grenade

Utilizarea granatelor în electronica cuantică modernă s-a extins semnificativ, ceea ce se explică prin combinația de succes a proprietăților lor mecanice, termofizice și optice. Această clasă de materiale reprezintă mai mult de 30 de matrici cristaline de compoziție diferită, ale căror proprietăți laser sunt conferite de doi ioni din grupa fierului (Cr 3+ și Ni 2+) și șase ioni de pământuri rare (Nd 3+ ; Dy 3+ ; Ho3+; Er3+; Tm3+ şi Yb3+).

Granatul de ytriu-aluminiu dopat cu neodim Y 3 Al 5 O 12, care este principalul material pentru laserele industriale cu stare solidă care funcționează într-un mod continuu sau într-un mod cu o rată mare de repetiție a impulsului, a primit cea mai mare importanță ca material laser activ. . Cristalul de granat de ytriu-aluminiu (YAG) este izotrop optic.

Orez. 3. Structura lui Y3Al5O12

Monocristalele YAG pentru lasere pot fi crescute din soluție într-o topitură, prin metoda Verneuil, prin metoda hidrotermală și prin metoda Czochralski. Cristale mari, de până la 100 mm lungime, sunt cultivate prin metoda Czochralski în creuzete de iridiu la o temperatură de 2000 ° C.

Cristalele de YAG sunt insolubile în acizi H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 şi HF, dar la temperaturi peste 250 o C se dizolvă în H 3 PO 4 . Cristalele YAG nedopate sunt incolore. În ceea ce privește duritatea, acestea sunt doar puțin inferioare corindonului.

Cristalele YAG nedopate sunt transparente într-un interval spectral larg de la ultraviolet (0,2…0,3 µm) la infraroșu (aproximativ 4 µm).

Dezavantajele YAG includ un coeficient scăzut de intrare a ionilor Nd 3+, ceea ce face dificilă obținerea de cristale mari cu o distribuție uniformă a activatorului. Prin urmare, se efectuează o căutare intensivă și de mare succes pentru noi medii cu o structură granat, care au aceleași combinații de succes de proprietăți fizico-chimice și de generare spectrală ca YAG, dar lipsite de dezavantajele sale inerente. Rezultate încurajatoare în această direcție s-au obținut cu granate de galiu (GG), în special, cu granate de galiu din pământuri rare (RGEG) și „granate mixte”.

Granații de galiu din pământuri rare au proprietăți mecanice și termice satisfăcătoare. Cristalele RZGG sunt mai avansate din punct de vedere tehnologic decât YAG: au puncte de topire mai mici.

Indicii de refracție ai RZGG diferă relativ puțin unul de celălalt, în ciuda diversității mari în compoziții.

Pe lângă granate activate de ionii de pământuri rare, recent s-a acordat multă atenție cristalelor RZGG cu crom. Acest lucru se datorează a doi factori: 1) realizarea abilităților donorului Cr 3+ ca ion sensibilizant și 2) posibilitatea obținerii unei generații reglabile pe tranzițiile electronic-vibraționale ale cromului la temperatura camerei.

4. Tungstate și molibdați

Un reprezentant tipic al acestei clase de compuși este wolramatul de calciu (scheelite).

Scheelitele au proprietăți fizico-chimice și tehnologice comparativ favorabile. Sunt stabili în aer, aproape insolubili în apă. Rezistența lor mecanică și rezistența la căldură sunt oarecum mai mici decât cele ale granatelor de rubin și ytriu-aluminiu. Tungstații și molibdații se caracterizează printr-o rezistență chimică relativ ridicată. Acizii lor de pe CaWO4 sunt clorhidric și fosforici atunci când sunt încălziți. Tungstatul de calciu se dizolvă în topiturile unor săruri de metale alcaline.

Cristalele de Scheelit și altele asemenea sunt crescute prin metoda Czochralski sau din săruri topite. Cristalele de tungstat de calciu crescute prin metoda Czochralski sunt destul de fragile din cauza tensiunilor apărute în procesul de creștere. Prin urmare, cristalele sintetizate sunt recoapte în aer la o temperatură de 1250°C timp de câteva zeci de ore. Elementele pământurilor rare sunt introduse ca activatori, care înlocuiesc ionii de Ca 2+.

cristal laser în stare solidă pulsat

Orez. 4. Rețea cristalină de scheelit (CaWO 4)

5. Laserele cu fibra

În ultimii ani, un nou tip de TTL a fost dezvoltat rapid - lasere cu fibră de mare putere . Mediul activ al acestor lasere este o fibră de sticlă dopată cu Yb (l=1080 nm) sau Er+Yb (l=1565 nm). Diametrul fibrei optice o=20-50 um; este înconjurat de două învelișuri transparente (de sticlă) - un ghid de undă pentru pomparea radiației, care vine de-a lungul întregii suprafețe exterioare a învelișului de la liniile laser cu diodă prin structuri special depuse, cum ar fi rețele Bragg. Avantajele laserelor cu fibră sunt calitatea înaltă a radiației datorită absenței unui efect de lentilă în mediul activ atunci când este încălzit în timpul pompării; eficiență energetică ridicată (până la 85%) de generare; îndepărtare bună a căldurii chiar și cu lasere multikilowatt răcite cu aer. Laserele cu fibră au o fiabilitate ridicată și capacitatea de a funcționa în orice condiții, inclusiv sisteme mobile de câmp, livrarea de radiații prin fibre care se potrivește organic la țintă, dimensiuni reduse record și o resursă unică. În ceea ce privește puterea de ieșire, au abordat laserele cu CO 2 de mare putere și le-au depășit în eficiență totală. La laserele cu fibră, problema alinierii este rezolvată automat, calea optică nu are goluri de aer sensibile la praf și umiditate. Laserul cu fibră depășește analogii pe cristale în parametri și proprietăți operaționale.

6. Aplicație TTL

Laserele din această clasă au primit un impuls puternic în ultimii ani datorită progreselor în tehnologia semiconductoarelor, care au făcut posibilă crearea de diode laser fiabile de mare putere pentru pomparea TTL.

Aplicațiile laserelor cu stare solidă sunt extrem de diverse. Tehnologia (sudare, tăiere etc.) folosește TTL pe bază de rubin, sticlă neodim și Y 3 Al 5 O 12 (Nd 3+) cu o putere de generare de la zeci de W la câțiva kW.

1. TTL cu geometrie tijă mediu activ mrad. TTL pompat cu diodă a atins o putere de 8 kW cu o calitate optică de 12-25 mm eficiență mrad pentru TTL pompat cu lampă, ceea ce a făcut posibilă utilizarea unei fibre optice cu diametrul de 300 μm pentru a transporta radiația. Sunt utilizate la tăierea și sudarea produselor din tablă 3D (în modul de generare continuă), tăierea aliajelor de aluminiu și în operațiunile de curățare a suprafețelor (în modul Q-switching).mrad, față de 3% și 25 mm „din priză” până la 10% la calitatea radiației de 12 mm

2. TTL cu geometrie disc mrad. Acestea au fost utilizate în sudarea și tăierea oțelului inoxidabil, cu furnizarea de radiații printr-o fibră optică (o 150 microni), inclusiv utilizarea în sisteme robotizate pentru finisarea sudării produselor tridimensionale.Mediul activ generează radiații cu o putere de până la 4 kW cu o eficiență „de la priză” de până la 20% și calitatea radiației 7-8 mm

În medicină, se utilizează în principal TTL pe sticlă de neodim cu o energie de radiație de 1000 J în modul de generare liberă (terapie) și TTL pe Al 5 O 12 (Nd 3+) în moduri continue sau periodice (chirurgie). Același tip de TTL este utilizat în locația optică și comunicații. TTL cu o frecvență de 10 -8 - 10 -12 s sunt utilizate în fotografia de mare viteză și T. l. monomod. în holografie dispozitive pentru înregistrarea proceselor rapide. TTL-urile de rezistență pe sticlă cu Nd sunt folosite pentru a studia plasmele termonucleare. Dezvoltarea metodelor de formare a impulsurilor scurte și ultrascurte a condus la descoperirea unei noi clase de fenomene optice, cum ar fi autofocalizarea luminii, difuzia stimulată a luminii, conversia parametrică a frecvenței luminii.

Bibliografie

1. A. A. Blistanov Cristale de optică cuantică și neliniară

2. Manual de materiale electrice

3. Manual de referință pentru inginerie electrică și electronică

4. Materiale electrice

5. A.Valiulin, S.Gorny, Yu.Grechko Revista științifică „Photonics” vol. №3 2007

6. V.Makhnyuk, A.Ter-Martirosyan Jurnalul științific „Photonics” vol. №7 2008

7. A. A. Mak, V. M. Mit’kin, L. N. Soms, et al., On the Thermooptical Constants of Activated Glasses. - „Industria opto-mecanică”, 1971, nr. 9, p. 42-45

Găzduit pe Allbest.ru

Documente similare

Mecanismul de creare a populațiilor inverse în scheme pe trei niveluri. Principiul de funcționare al unui laser rubin. Specificul funcționării unui laser cu stare solidă în modul Q-switched cu un obturator pasiv folosind răcirea cu apă și generarea liberă.

lucrare de termen, adăugată 25.06.2011


Baza principiului de funcționare a laserelor. Clasificarea laserelor și principalele lor caracteristici. Utilizarea unui laser la marcarea mărfurilor. Metoda de excitare a substanței active. Divergența fasciculului laser. Gama de lungimi de unda. Domenii de aplicare a laserului.

munca de creatie, adaugat 24.02.2015


Cunoașterea istoriei creării generatoarelor de radiații electromagnetice. Descrierea circuitului electric și studiul principiilor de funcționare a unui laser semiconductor. Luarea în considerare a metodelor de utilizare a unui laser pentru influențarea unei substanțe și pentru transmiterea de informații.

lucrare de termen, adăugată 05.08.2014


Conceptul și scopul laserului, principiul funcționării acestuia și componentele structurale. Tipuri de lasere și caracteristicile acestora. Tehnica și etapele principale de măsurare a lungimii de undă a radiației laser și procedura de comparare a spectrelor radiației sale induse și spontane.

munca de laborator, adaugat 26.10.2009


Caracteristicile generale și diagrama nivelului de energie a cristalului Cr2+:ZnSe. Rezonator selectiv cu filtru Lyot si etalon Fabry-Perot. Schema trecerii razelor la trecerea printr-o prismă dispersivă în rezonator. Spectrele de generare ale laserului Cr2+:ZnSe.

lucrare de termen, adăugată 29.06.2012


Teoria măsurătorilor de absorbție atomică: emisia și absorbția luminii, conceptul liniei de absorbție și al coeficientului de absorbție, conturul liniei de absorbție. Principiul de funcționare al laserului. Descrierea funcționării unui laser cu heliu-neon. Lasere pe coloranți organici.

rezumat, adăugat 03.10.2007


Laserul este un generator cuantic care emite în intervalul de radiații vizibile și infraroșii. Schema dispozitivului laser și principiul funcționării acestuia. Moduri temporare de funcționare a dispozitivului, frecvența de alimentare cu energie. Utilizarea laserelor în diferite ramuri ale științei și tehnologiei.

rezumat, adăugat 28.02.2011


Istoria creării laserului. Principiul de funcționare al laserului. Unele proprietăți unice ale radiației laser. Aplicarea laserelor în diverse procese tehnologice. Utilizarea laserelor în industria de bijuterii, în tehnologia computerelor. Puterea fasciculelor laser.

rezumat, adăugat 17.12.2014


Mecanismul de creare a populațiilor inverse în scheme pe trei niveluri. Principiul de funcționare al unui laser rubin. Laser cu comutare Q. Calculul caracteristicilor laser rubin funcționează în modul Q-switched și de rulare liberă.

lucrare de termen, adăugată 29.10.2010


Metode de creare a unui mediu activ pentru laserele excimeri cu descărcare electrică. Sisteme de pompare a amestecului de lucru. Reacții la halogenuri gazoase. Caracteristicile laserului XeCl cu descărcare electrică. Formarea radiației dintr-o linie spectrală îngustă într-un rezonator selectiv.

Un laser cu stare solidă este un laser care mediul activ este cristale dielectrice activate și pahare sau cristale dielectrice cu defecte punctuale proprii. Ionii elementelor pământurilor rare sau ionii din grupul fierului servesc de obicei ca activatori ai cristalelor și paharelor. Defectele punctiforme intrinseci ale cristalelor apar sub influența radiațiilor ionizante sau prin colorare aditivă. Nivelurile de energie ale activatorilor sau defectelor intrinseci sunt folosite pentru a crea o populație inversă.

Laserele sunt utilizate pe scară largă pe un cristal de rubin - oxid de aluminiu (Al 2 O 3), în care aproximativ 0,05% din atomii de aluminiu sunt înlocuiți cu ioni de crom Cr 3+, pe granat de ytriu aluminiu (Y 3 Al 5 O 12), pe pahare cu ioni de impurități de neodim (Nd 3+), terbiu (Tb 3+), iterbiu (Yb 3+), etc. Peste 250 de cristale și aproximativ 20 de pahare dau emisie stimulată de diferite frecvențe.

Gama de lungimi de undă a laserelor cu stare solidă se extinde de la UV până la regiunea IR mijlocie. funcționează în moduri pulsate, continue și cvasi-continue.

Generarea laserelor cu stare solidă se realizează conform unei scheme cu trei sau patru niveluri. Elementul activ al acestor lasere este de obicei sub forma unui cilindru circular sau a unei tije dreptunghiulare. Uneori este folosit și un element activ de configurații mai complexe. Cel mai utilizat design de lasere cu stare solidă, în care un element activ cilindric, împreună cu o lampă cu pompă cu descărcare în gaz, este plasat într-o cameră de iluminare, care concentrează radiația lămpii pompei în elementul activ. Datorită reflexiilor multiple ale radiației pompei de pe suprafața interioară a camerei iluminatorului, se realizează o absorbție mai completă a acesteia în elementul activ. Se folosesc iluminatoare în care o lampă cu pompă funcționează pe mai multe elemente active sau, dimpotrivă, un element activ este pompat de mai multe sau mai multe lămpi.

Gama de lungimi de undă a laserelor cu stare solidă se extinde de la UV până la regiunea IR mijlocie. Laserele cu stare solidă funcționează în moduri pulsate, cw și cvasi-cw. Pentru laserele cu stare solidă existente, puterea de generare în modul continuu poate ajunge la 1–3 kW cu o energie specifică de ~ 10 W per 1 cm 3 de mediu activ cu o eficiență de ~ 3%. O putere medie de 10 3 W la o rată de repetare a pulsului de până la 100 Hz este realizată în laserele cu stare solidă pulsate repetitiv în modul de rulare liberă cu o durată a impulsului de 10 -3 10 -4 s.

Laserele cu stare solidă ocupă un loc unic în dezvoltarea laserelor. Acestea sunt dispozitive ușor de întreținut, capabile să genereze energie de mare putere.

LED-urile, lămpile și alte lasere pot fi utilizate pentru pomparea cu laser în stare solidă. Laserele cu stare solidă pompate cu diode se numesc DPSS - diode-pumped solid-state.

Laserele cu stare solidă diferă fundamental de laserele cu gaz numai prin natura pompării. Pentru a crea radiații coerente se folosește pompare optică.

Pomparea se realizează de obicei printr-un lichid care răcește substanța de lucru și se realizează folosind radiația de la lămpi cu descărcare în gaz, LED-uri, lasere etc. Pomparea cu lampă este cea mai utilizată.

De obicei, în proiectarea unui laser cu stare solidă (Fig. 3.19), este utilizată o tijă activă (laser) 1 si lampa pompei 2 același design („creion”). Oglinzi 3 Și 4 rezonatoarele optice sunt separate printr-un obturator optic de control 5 . Pentru utilizarea eficientă a energiei pompei optice, tija 1 și lampă 2 plasat într-un reflector închis 6 formă eliptică. În același timp, elementele 1 Și 2 sunt plasate la focarele secțiunii eliptice a reflectorului, ceea ce face posibilă concentrarea energiei optice de pompare în volumul mediului activ. Reflector 6 umplut cu lichid de răcire, care este pompat periodic prin laser.

Mediul activ este un dielectric cristalin sau amorf având centri de luminescență.

Imagine. 3.19 - Laser cu stare solidă continuă (opțiune de proiectare)

Dintre materialele laser, grupa cea mai reprezentativă este cristalele ionice cu impurități. Cristale de compuși anorganici de fluorură (CaF 2 , LaF 3 , LiYF 4 ), oxizi (Al 2 O 3 ) și compuși complecși (CaWO 4 , Y 3 Al 15 O 12 , Ca 5 (PO 4 ) 3 F) conțin în rețeaua cristalină ioni de impurități active, pământuri rare (samariu Sm 2+, disproziu Dy 2+, tuliu Tw 2+, Tw 3+, praseodim Pr 3+, neodim Nd 3+, erbiu Er 3+ , holmiu Ho 3+), elemente de tranziție (crom Cr 3+, nichel Ni 2+, cobalt Co 2+, vanadiu V 2+) sau ioni de uraniu U 3+. Concentrația de impurități active în cristale variază de la 0,05 la câteva procente (în greutate). Lasingul este excitat de pomparea optică, iar energia este absorbită în principal de ionii de impurități. Materialele laser considerate se caracterizează printr-o concentrație mare de particule active (10 19 -10 21 cm -3), o lățime foarte mică a liniei de generare (0,001-0,1 nm) și o mică divergență unghiulară a radiației generate.

Dezavantajele acestor materiale includ un coeficient scăzut (15%) de conversie a energiei electrice în energie de radiație laser în sistemul „pompă lampă-cristal”, complexitatea fabricării tijelor laser de dimensiuni mari și uniformitatea optică necesară a acestora.

Cristalele laser cu impurități dozate sunt crescute, de regulă, prin cristalizarea direcțională a topiturii în dispozitive speciale (de cristalizare) care asigură o stabilitate ridicată a temperaturii topiturii și a vitezei de creștere a cristalului. Din cristalele crescute sunt tăiate tije cilindrice de până la 250 mm lungime și 2-20 mm în diametru. Capetele tijelor sunt șlefuite și apoi lustruite. În cele mai multe cazuri, tijele sunt realizate cu capete plate paralele între ele, cu o precizie de 3-5", și strict perpendiculare pe axa geometrică a tijei. Este posibil să se utilizeze capete sferice sau altele (non -standard).

Ca element activ în primullaser industrial folosit rubin.

Rubinul (din lat. ruberus - roșu și lat. rubinus târziu) este un fel de mineral de corindon (Al 2 O 3), dar conține impurități de ioni de crom Cr 3+ (de la sutimi la 2%, de obicei 0,05%), care înlocuiesc ionii de aluminiu Al 3+ și (spre deosebire de corindonul incolor) determină culoarea roșie a rubinului. Lungimea de undă a oscilațiilor laserului rubin este λ = 694,3 nm.

ÎNtimp prezent Laserele cu stare solidă sunt create în principal pe baza de cristale de granat de ytriu-aluminiu cu adaos de ioni de neodim (Nd:YAG). Mediul activ din ele este cristalul Y 3 Al 5 O 12 , în care o parte din ionii Y 3+ înlocuite cu ionineodim trivalentNd 3+ .

Laserele Nd:YAG pot funcționa atât în ​​modul continuu, cât și în modul pulsat. Când funcționează în modul pulsat, pentru pompare se folosesc lămpi cu xenon (la o putere a pompei de ~10 W), iar în modul continuu se folosesc lămpi cu cripton (la o putere a pompei de ~100 W). Dimensiunile tijelor sunt aceleași cu cele ale laserului rubin.

Parametrii puterii de ieșire:

în modul multimod continuu - până la 500 W;

în modul puls cu o rată mare de repetare a pulsului (50 Hz) - până la 200 W;

în modul RDM - până la 50 MW.

Dispozitivele CtP folosesc lasere de la 1 W la câțiva kW. Eficiența variază de la 3 (când este folosit pentru pomparea lămpilor) la 10% (când este folosit pentru pomparea diodelor). Adâncimea câmpului în acest caz ajunge la 60 de microni. Utilizați lasere cu o lungime de undă de 1064 nm, precum și cufrecvență dublă (532 nm).

Pentru a utiliza eficient energia de radiație a lămpii pompei, se folosește un reflector închis, umplut cu un lichid de răcire pompat prin volumul său. Una dintre cele mai eficiente forme de reflectoare este eliptică. Cu această formă a secțiunii reflectorului, lampa pompă și elementul activ sunt plasate în focarele unei secțiuni eliptice, ceea ce asigură concentrarea maximă a energiei luminii pompei în grosimea elementului activ.

Capetele elementului activ prelucrate optic pot fi folosite ca oglinzi cu rezonanță optică într-un laser cu stare solidă, dacă este necesar, prevăzut cu acoperiri reflectorizante pentru a obține valorile necesare ale coeficienților de reflexie și transmisie. Dacă este necesar să se obțină proprietăți speciale ale radiației laser (caracter de polarizare, compoziția modului etc.), oglinzile rezonatorului optic pot fi și exterioare, ceea ce se poate datora și tehnologiei de prelucrare și acoperire optică.

Elementul activ și lampa pompă a unui laser cu stare solidă necesită de obicei răcire cu lichid în cazurile în care puterea de ieșire a laserului nu este suficient de mică (la nivelul miliwaților). Acest lucru duce la o complicație a designului, deoarece energia de pompare va trece prin lichidul de răcire, care nu ar trebui să fie absorbit în mod vizibil de acest lichid.

De obicei, laserele cu stare solidă, pe lângă sursa de alimentare, sunt echipate cu un sistem special de răcire cu o pompă și un schimbător de căldură, ceea ce duce la o scădere a eficienței totale și necesită întreținere preventivă suplimentară în timpul funcționării.

O versiune a laserului ND:YAG pompat cu lampă este prezentată în fig. 3.20. Laserele ND:YAG pompate cu lămpi cu stare solidă au fost primele surse laser utilizate în sistemele CtP pentru flexografie. Astăzi sunt instalate în multe sisteme, deoarece sunt o soluție de încredere dovedită. Componentele unor astfel de lasere au fost dezvoltate de-a lungul mai multor decenii, iar astăzi sute de companii din întreaga lume sunt angajate în producția lor.

Figura 3.20. Versiunea laserului ND:YAG pompat cu lampă: 1 - oglindă; 2 - lampă pompă; 3 - cristal Nd:YAG; 4 - reflector; 5 - amortizor; 6 - oglinda de iesire; 7 - modulator de lumină; 8 - sistem optic de focalizare

O serie de deficiențe inerente acestor lasere au forțat, în unele cazuri, să caute un înlocuitor pentru ele. Dezvoltarea și îmbunătățirea tehnologiei laser în anii 90. a dus la răspândirea laserelor cu stare solidă, unde sursa de lumină a lămpii a fost înlocuită cu lasere semiconductoare (diode). Una dintre variantele sistemului optic al unor astfel de lasere este prezentată în Fig. 3.21.

Figura 3.21 – Varianta laser Nd:YAG cu pompare semiconductoare: 1 – oglinda retrovizoare; 2 – diode laser pompe optice; 3 – cristal Nd:YAG; 4 - corp; 5 - amortizor; 6 - oglinda de iesire, 7 - modulator de lumina; 8 - sistem optic de focalizare

Laserele pompate cu semiconductori (diode) folosesc diode laser de mare putere în loc de lămpi, emițând lumină cu exact lungimea de undă (808 nm) necesară pentru a genera radiație laser din cristalul laser Nd:YAG. Principala diferență dintre aceste lasere și laserele pompate cu lampă este o eficiență semnificativ mai mare (de un ordin de mărime) a conversiei radiațiilor de la diodele laser de mare putere, ceea ce face posibilă evitarea consumului mare de energie și eliminarea răcirii intense cu apă externă ( circuitul intern de răcire cu apă al corpului activ laser este încă necesar). Toate acestea fac sistemele de înregistrare a imaginilor cu astfel de lasere mai convenabile de utilizat.

Puterea laserelor pompate cu semiconductor face posibilă împărțirea fasciculului de radiație laser în mai multe fascicule controlate separat, fără a degrada calitatea radiației. Drept urmare, astfel de lasere sunt indispensabile pentru construirea sistemelor de înregistrare optică cu mai multe fascicule utilizate pentru a crește productivitatea, deoarece mai multe fascicule expun materialul în paralel.

În dispozitivele cu divizare a fasciculului laser (spre deosebire de sistemele în care sunt utilizate două lasere diferite), benzile nu apar pe harta de bit în timp. Se știe că în lasere, după ceva timp, poate apărea o ușoară abatere a fasciculului laser, care se exprimă într-o deplasare mică (câțiva microni) a punctului de înregistrare pe material într-o direcție arbitrară. Dar când se obțin două fascicule prin divizarea unui singur fascicul, acest decalaj pentru ambele spoturi de înregistrare are loc sincron și nu duce la probleme. Dacă sunt utilizate două lasere, atunci este posibilă nepotrivirea petelor, ceea ce duce la apariția benzilor în imagine. Acest efect poate fi eliminat doar prin recalibrare, care poate fi efectuată numai de personal special instruit.

Laserele cu stare solidă au următoarele vrednictu:

o lungime de undă mică face posibilă obținerea unui spot cu un diametru mai mic de 10 microni și creșterea semnificativă a rezoluției de înregistrare;

pierderile minime la trecerea prin ghidaje de lumină cu fibră optică și ușurința de modulare simplifică proiectarea sistemelor laser;

un număr semnificativ de materiale cunoscute (în special metale) au un coeficient de absorbție ridicat în regiunea lungimilor de undă emise, ceea ce facilitează dezvoltarea plăcilor de imprimare și crește eficiența scrierii cu laser.

În comparație cu laserele cu CO 2, acestea funcționează la o lungime de undă mult mai scurtă, ceea ce face posibilă focalizarea radiației laserelor cu stare solidă într-un punct mai mic. În comparație cu laserele cu argon, acestea oferă o valoare a eficienței de 2-3 ori mai mare. Avantajele lor includ și compactitatea, mobilitatea etc.

În comparație cu laserele cu gaz, laserele cu grenade sunt mai scumpe și necesită mai multă atenție la prevenire în timpul funcționării - este necesară înlocuirea periodică a lămpilor de pompare, menținând curățenia lichidului de răcire prin care se efectuează pomparea. În plus, într-un laser granat, există unele dificultăți în asigurarea stabilității radiațiilor.

În dispozitivele CtP echipate cu lasere cu stare solidă, companiile oferă plăci fotopolimerizabile și argintii, precum și plăci cu straturi hibride și sensibile termic. În acest caz, sub influența unui laser cu o lungime de undă de 1064 nm, straturile termosensibile pot fi supuse distrugerii termice, ablației sau structurii termice.

Laserele YAG cu stare solidă sunt utilizate în dispozitivele CtP Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) și multe altele. Cu toate acestea, recent, diodele laser au fost folosite din ce în ce mai mult în locul laserelor cu stare solidă.

În FNA, laserele cu stare solidă practic nu sunt folosite.