Методы накачки активных лазерных веществ.

 

Накачка активного лазерного вещества должна обеспечивать эффективную инверсную населённость. Основными методами накачки являются:

1. Оптическая накачка (импульсные лампы, светодиоды, полупроводниковые лазеры) – используется в рубиновых лазерах, лазерах на стекле и кристаллах, активированных ионами редкоземельных элементов, лазерах на красителях.

2. Электрический разряд (непосредственно в газовом активном веществе) - He-Ne лазер, Ar и Kr лазеры, CO₂ лазер, эксимерные лазеры.

3. Инжекция носителей – полупроводниковые лазеры.

4. Электронный пучок – практически все активные среды.

5. Газодинамика – CO₂ и другие газы.

6. Фотодиссоциация - CF3I + hn ® I* + CF3

7. Химическая реакция-возбуждение - HF, HCl, HBr и др.

8. Радиационное возбуждение – рентгеновские лазеры.

 

Основные типы лазеров: классификация лазеров по агрегатному состоянию активного вещества

 

По агрегатному состоянию активного вещества лазеры подразделяются на три основных класса: твердотельные, газовые и жидкостные (см. Рис. 1.14.). Следует отметить, что в настоящее время количество выпускаемых полупроводниковых лазеров составляет 99,93% от количества всех выпускаемых в мире лазеров, и данный тип выделен в особую группу твердотельных лазеров.

 

Рис. 1.14. Классификация лазеров по агрегатному состоянию активного вещества

 

Твердотельные лазеры

 

Первая демонстрация работы твердотельного лазера была проведена в 1960 г. Теодором Мейманом [T. H. Maiman, Nature 187, 493 (1960)] на кристалле рубина (Cr³⁺:Al₂O₃) – (см рис. 1.15). Матрицей твердотельных лазеров являются различные кристаллы и стёкла. Они должны иметь хорошие оптические, механические и термальные свойства. Матрицы и вводимые в них активные ионы должны иметь одинаковые размеры и валентность. Лазерные элементы должны быть оптически однородны и иметь хорошую прозрачность. Они должны быть хорошо воспроизводимы в изготовлении, в том числе и больших геометрических размеров.

 

Рис. 1.15. Теодор Мейман и конструкция его рубинового лазера

 

Рубиновый лазер. Рубин химически состоит из сапфира (Al₂O₃), в котором в малом процентном весе ионы Al³⁺ заменены ионами Cr³⁺. То есть это кристалл корунда с примесью ионов хрома Al2O3(Cr3+).

 Рубиновый лазер, работающий по трёхуровневой системе, в настоящее время используется не очень активно. Его положительными параметрами являются: работа в видимом диапазоне (две линии – 692.9 нм и 694.3 нм), узкая спектральная ширина этих линии (0.53 нм), что очень важно для спектральных исследований и голографии, две широкие спектральные области поглощения (370-430 нм и 520-570 нм), что позволяет эффективно использовать для его накачки различные импульсные лампы. Недостатками рубинового лазера являются: малый КПД, термическая анизотропия, подверженность термическим разрушениям.

 

Рис.1.16. Упрощённая схема энергетических уровней рубинового лазера

 

Лазеры на основе ионов редкоземельных элементов. Более сотни активных сред на основе редкоземельных элементов и их комбинаций, внедрённых в различные стёкла и кристаллы продемонстрировали возможность лазерной генерации, перекрывающей спектральный диапазон от видимого до среднего ИК спектра. К таким трёхвалентным ионам редкоземельных элементов относятся: Nd³⁺ - неодим, Er³⁺ - эрбий, Ho³⁺ - гольмий, Tm³⁺ - тулий, Pr³⁺ - празеодим, Gd³⁺ - гадолиний, Eu³⁺ - европий, Yb³⁺ - иттербий.

Стёкла для лазерных активных элементов имеют следующие преимущества по сравнению с кристаллическими веществами: они могут быть изготовлены значительно больших размеров (существуют стеклянные лазерные элементы диаметром более 1.5 м) и лучшего оптического качества. Поэтому для мощных твердотельных лазерных систем выходные каскады усилителей изготавливаются на стеклянных элементах. Но их термические свойства, как правил, уступают кристаллам.

Лазеры на кристаллах кроме хороших термических качеств, как правило, генерируют и более узкое спектральное излучение, чем стеклянные лазеры, что позволяет более широко их использовать в  научных и технических приложениях.

Кристаллы для лазерных активных элементов (наиболее используемые): сапфир (Al₂O₃), иттрий алюминиевый гранат – YAG (Y₃Al₅O₁₂), фторид иттрия-лития – YLF (YLiF₄) алюминат иттрия (Y₂O₃-Al₂O₃), калий гадолиниевый вольфрамат – KGW (KGd(WO₄)₂), ванадат иттрия (YVO₄), ванадат гольмия (GdVO₄).  

Ионы редкоземельных элементов (наиболее используемые):

Nd ³⁺ - неодим внедряется в стекло и в большинство кристаллических матриц (YAG, YLF, KGW и т.д.), основными линиями его генерации в матрице YAG являются 0.94 мкм, 1.064 мкм и 1.32 мкм.

Er ³⁺ - эрбий хорошо внедряется во многие стёкла и кристаллы и основные линии его генерации лежат в области 1.5 – 1.66 мкм. Особый интерес представляет лазер Er:YAG, генерирующий на длине волны 2.9 мкм.

Ho ³⁺ - гольмий также хорошо внедряется во многие стёкла и кристаллы и одна из интересных линии его генерации – 2.08 мкм.

Tm ³⁺ - тулий также хорошо внедряется во многие стёкла и кристаллы. Лазер Tm:YAG генерирует на длине волны 2.01 мкм, лазер Tm:Ho:YAG – на 2.09 мкм, лазер Cr:Tm:YAG – в диапазоне 1.945 – 1.965 мкм.

 

Неодимовые лазеры (Nd: Laser). Рассмотрим несколько примеров неодимовых лазеров:

 а) ионы неодима внедрены в кристалл YAG (Nd:YAG) – активный элемент имеет высокий коэффициент усиления и хорошие термические качества, что позволило выйти этим лазерам в лидеры для промышленного и военного применения;

б) ионы неодима внедрены в стекло (Nd:glass) – активные элементы могут быть изготовлены больших размеров, что позволяет использовать их для создания мощных лазерных систем;

в) ионы неодима внедрены в кристалл YLF (Nd:YLF) – активный элемент малое термическое двулучепреломление и его лазерное выходное излучение имеет высокую степень линейной поляризации;

г) ионы неодима внедрены в кристалл YVO₄ (Nd:YVO₄) - активный элемент имеет полосу поглощения, точно попадающую в линию излучения (809 нм) дешёвого и мощного полупроводникового лазера, используемого для накачки этого лазера.

Nd: YAG. Активный элемент имеет хорошее оптическое качество, высокие термические характеристики и высокий коэффициент усиления. На рисунке 1.17 представлена упрощённая схема энергетических уровней Nd:YAG лазера.

 

Рис. 1.17. Упрощённая схема энергетических уровней Nd:YAG лазера

 

Основной лазерный переход (длина волны излучения – 1.064 мкм) осуществляется с уровня R₂, серии ⁴F_3/2 на уровень Y₃ серии ⁴I_11/2. Кроме этой генерации, возможна генерация на следующих длинах волн: 0.946 мкм, 1.064 мкм, 1.032 мкм и 1.839 мкм.

Nd:стекло. В отличие от кристаллов YAG, в стекло может быть введена большая концентрация Nd и стеклянные активные элементы могут быть изготовлены значительно больших размеров.

Для лазерных активных элементов в основном используется силикатное (SiO₂), фосфатное (P₂O₅) и боратное (B₂O₃) стекло. Длины волн излучения таких лазеров лежат в интервале 1.053…1.062 мкм.

Существует два основных отличия между лазерами на кристалле и стекле: 1 – у стекла значительно хуже термические качества, 2 – спектр излучения у стекла значительно шире. Это приводит к тому, что для лазеров, работающих на высоких частотах повторения импульсов, но с малой энергией в импульсе, используются кристаллические активные элементы, а для мощных лазеров – стеклянные.

На рисунке 1.18 представлена оптическая схема Nd:YLF лазера c диодной накачкой, а на рисунке 1.19 представлена схема лазерной системы, состоящей из задающего генератора и двух усилителей.

 

 

Рис. 1.18. Оптическая схема Nd:YLF лазера с диодной накачкой

 

Рис. 1.19.  Лазерная система: задающий генератор – многопроходовый усилитель

 

Самая мощная лазерная система, выходные каскады которой выполнены из стекла, активированного ионами Nd³⁺ находится в Ливерморской Национальной Лаборатории.

National Ignition Facility (Lawrence Livermore National Laboratory. Livermore, CA, USA). План специального здания для этой cистемой представлен на рисунке 1.20.  

 

Рис. 1.20. Размещение лазерной установки National Ignition Facility.

 

Лазерная система предназначена для исследований в области высоких энергий, в том числе для экспериментов по термоядерному синтезу. Установка состоит из 192 лазерных каналов с общей выходной энергией больше одного миллиона джоулей (10⁶ Дж). Принципиальная оптическая схема изображена на рисунке 1.21. Задающий генератор (Injection Laser System) создан на основе эрбиевого волоконного лазера с энергией в импульсе ~ 10^-9 Дж. После усиления в нескольких усилителях (Power Amplifier, Main Amplifier) энергия на выходе всей системы должна достигнуть значения 4∙10⁶ Дж (к 2009 году).

 

Рис. 1.21. Принципиальная оптическая схема лазерной установки NIF

 

Следует отметить, что ИК-излучение лазера на выходе системы (1054 нм) преобразуется в фиолетовое излучение (351 нм), посредством высокоэффективной генерации третьей гармоники (Final Optics).

На рисунке 1.22. изображены образцы активных элементов (стекло, активированное неодимом), используемых на установке в различные годы. Размер нынешних элементов – 81 х 46 х 3.4 см³!!!

 

 

 

Рис. 1.22. Образцы лазерных стёкол, использовавшихся в разные годы в системах для лазерного термоядерного синтеза

 

 

Газовые лазеры

 

В газовых лазерах в качестве активной среды используется газообразные вещества. Семейство газовых лазеров многочисленно и они генерируют в широком спектральном диапазоне: от УФ области спектра до субмиллиметровых волн. Газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью. Поэтому излучение этих лазеров однородно, а расходимость может достигать дифракционных пределов. Но из-за малой плотности газа невозможно получить их большую концентрацию – поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров значительно ниже, чем у твердотельных и жидкостных лазеров.

 

Гелий-неоновый лазер (He - Ne лазер). Это был первый газовый лазер и его запустил американский учёный А. Джаван (рис.1.22) в 1961 году.

 

Рис. 1.22. Создатель He-Ne лазера А. Джаван

 

Упрощённая схема энергетических уровней He-Ne лазера изображена на рисунке 1.23. В гелий-неоновом лазере активным веществом являются нейтральные атомы Ne. При электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня E₁ на возбуждённый верхний уровень E₅. Но в чистом Ne время жизни на этом уровне мало и атомы быстро переходят с него на нижние уровни E₄, E₃, E₂ и E₁, что препятствует созданию инверсной населённости. Примесь He существенно меняет ситуацию. Возбуждённые энергетические уровни атома гелия F₂ и F₃ совпадают с верхними уровнями E₅ и E₄ неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов He, с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией E₁) происходит передача возбуждения, в результате которой атомы Ne переходят на уровни E₅ и E₄, а атомы He возвращаются в основное состояние F₁. При достаточно большом числе атомов He в газовой смеси можно добиться преимущественного заселения уровней E₅ и E₄ неона. Этому же способствует опустошение уровня E₃, происходящее при соударении атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Уровни E₅, E₄, E₃ обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн, из которых наиболее эффективными и востребованными являются 0.63 мкм и 1.15 мкм. Несмотря на малый КПД этих лазеров, их излучение обладает высокой монохроматичностью, а конструкция самого лазера достаточно проста и надёжна.

 

Рис. 1.23. Упрощённая схема энергетических уровней He-Ne лазера

 

 

Ионные лазеры. Генерация на ионизированных газах была впервые получена американским физиком У. Б. Бриджесом в 1964 году. Ионные лазеры обладают большей выходной мощностью, чем газовые лазеры на нейтральных атомах. Инверсия населённости создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрическом разряде. Генерация наблюдается на 440 переходах ионов 29 элементов. Наиболее мощная генерация (до сотен Вт) получена в сине-зелёной области спектра (488 нм – 514 нм) на ионах Ar²⁺, в жёлто-красной (568 нм – 647 нм) на ионах Kr²⁺, на УФ линиях Ne²⁺, Ar³⁺ и Kr³⁺. Упрощённая схема энергетических уровней Ar2+ лазера представлена на рисунке 1.24. Ионные лазеры широко применяются в физических исследованиях, голографии и фотолитографии.

 

 

Рис. 1.24. Упрощённая схема энергетических уровней Ar2+ лазера

 

CO ₂  лазеры. Относятся к классу газовых молекулярным лазеров. Это наиболее мощные газовые лазеры с высоким КПД.

В атомарных и ионных лазерах первый возбуждённый уровень обычно имеет энергию, равную приблизительно ½ энергии ионизации, остальные уровни расположены выше, сгущаясь к ионизационному пределу. Поэтому большинство процессов возбуждения неселективно: возбуждается одновременно много уровней, что уменьшает КПД такого лазера. А молекулы, в отличие от атомов, кроме электронных уровней имеют колебательные и вращательные уровни энергии (рис. 1.25).

 

 

Рис. 1.25. Возможные колебания молекулы CO₂

 

Расстояния между нижними колебательными уровнями часто малы, поэтому можно возбудить только колебания молекул, не затрагивая электроны. У многоатомных молекул существует несколько типов колебаний. Излучательные переходы между уровнями одинакового типа дают квантовый выход, близкий к единице. Высокая эффективность возбуждения колебательных уровней, большой квантовый выход и селективность резонансной передачи энергии позволяет достичь в молекулярных газовых лазерах КПД до 25 %. Генерация наблюдается на колебательно-вращательных переходах 23 молекул.

Наиболее интересны молекулярные лазеры на CO₂ (l = 9.4 мкм и l = 10.6 мкм). В газовой смеси CO₂ и N₂ газоразрядных CO₂ лазеров электроны в тлеющем разряде возбуждают колебательные уровни молекул CO₂ и N₂ (рис. 1.26).

 

 

Рис. 1.26. Схема нижних колебательных состояний молекулы СО₂

 

 

Молекулы N₂ при столкновении с молекулами CO₂ передают им энергию, заселяя верхний лазерный уровень. Достигаемые мощности – единицы кВт. Схема конструкции такого лазера с продольным разрядом представлена на рисунке 1.27. В более мощных CO₂ лазерах используется схема с поперечным разрядом и непрерывной прокачкой газа, что позволят достигать на выходе – десятки кВт.

 

 

Рис. 1.27. Схема конструкции СО₂ лазера с продольным разрядом

 

 

Эксимерные лазеры. Это газовые лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённом состоянии). Нижний уровень лазерного перехода является т. н. “отталкивательным” (невозбуждённые атомы отталкиваются друг от друга и не образуют молекулу). Энергия верхнего уровня лазерного перехода молекулы KrF (см. рис. 1.28) имеет минимум, соответствующий образованию эксимерной молекулы. При наличии в газе некоторого количества эксимерных молекул, создаваемых накачкой, инверсия населённостей возникает благодаря эффекту опустошения нижнего уровня за счёт разлёта ядер.

 

Рис. 1.28. Зависимость энергии эксимерной молекулы KrF от расстояния R между атомами Kr и F

 

В эксимерных лазерах используются двухатомные эксимерные молекулы – короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом. Излучение этих молекул соответствует видимой или УФ областям спектра. Наиболее часто используются следующие эксимерные лазеры: ArF (l = 193 нм), KrF (l = 248 нм), XeCl (l = 309 нм), XeF (l = 351 нм).

Активная среда эксимерного лазера состоит из инертного газа при атмосферном давлении или несколько большем давлении с возможными малыми добавками галогенсодержащих молекул. Эксимерные молекулы образуются в результате протекания, например, следующего процесса

                                    Kr * + F ₂  –» (KrF)* + F

В силу малых времён жизни активных молекул (~10^-8 с) и большой ширины линии усиления для осуществления генерации требуется создать достаточно высокую концентрацию эксимерных молекул. Это достигается за счёт использования мощных импульсных источников возбуждения – мощных электронных пучков или импульсного поперечного разряда. При возбуждении импульсным электрическим разрядом возможна генерация с высокой частотой повторения импульсов (~ 10 кГц) и высокой средней мощностью излучения (десятки Вт). Фотография одного из промышленно выпускаемых эксимерных лазеров представлена на рисунке 1.29.

 

 

Рис. 1.29. Внешний вид эксимерного лазера MPB

 

Жидкостные лазеры

 

В жидкостных лазерах в качестве активной среды, как правило, используются водные или органические растворы.