Изучение конструкции лазера с полупроводниковой накачкой

Лабораторная работа

Изучение конструкции лазера с полупроводниковой накачкой

М осква - 2011г.

Изучение конструкции лазера с полупроводниковой накачкой

Целью данной лабораторной работы является изучение физико-технических и конструктивных особенностей малогабаритного твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой и эффектом удвоения частоты излучения (ГВГ).

Твердотельные лазеры (ТТЛ), с которых в 1960 г началась лазерная эра (первым в мире был сконструирован ТТЛ на кристалле рубина (1960г); в 1961 г был создан лазер на неодимовом стекле и др.), продолжают активно развиваться и играют важную роль в современных технологиях.

ТТЛ, активные среды которых выполнены из кристаллических и аморфных матриц с введенными ионами активаторов, надежны, удобны и сравнительно простыв эксплуатации. При небольших габаритах они могут генерировать очень высокие импульсные мощности (вплоть до 10¹² Вт и более), очень короткие световые импульсы (до 10^-12 с и менее), а также работать в непрерывном режиме с выходной мощностью от единиц мВт до сотен Вт.

Специфика используемых лазерных активаторов – редкоземельных ионов неодима, эрбия, иттербия (или ионов хрома, титана) позволяет в твердотельных лазерах накапливать энергию возбуждения на верхнем лазерном уровне по трех- и четырехуровневой схеме и обеспечить эффективную работу лазера в самых разнообразных режимах работы:

-в режиме свободной генерации при непрерывной накачке;

-в режиме свободной генерации при импульсной накачке повторяющимися световыми импульсами;

-в режиме модулированной добротности при непрерывной накачке, когда излучается цуг регулярных мощных импульсов (режим «разгрузки» резонатора);

-в режиме модуляции добротности при однократной или повторяющейся импульсной накачке, когда высвечивается однократный (например - для дальномера) или повторяющийся (для светолокатора) мощный световой импульс.

ТТЛ не имеют аналогов по яркости и пиковой мощности излучения, так как допускают работу в одномодовом (по поперечным индексам) режиме с хорошим качеством пучка в сочетании с режимом модуляции добротности, недоступным большинству других лазеров. Высокая пиковая мощность излучения позволяет эффективно преобразовывать средствами нелинейной оптики излучение ТТЛ ближнего ИК-диапазона в видимый и даже ультрафиолетовый диапазоны спектра, а также в средний ИК-диапазон.

Активные среды для ТТЛ за годы многолетних исследований были оптимизированы для лазеров различных типов и применений. Наибольшее распространение получили кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂ (ИАГ), а также алюмината иттрия YAlO₃, активированные неодимом, эрбием, иттербием, туллием; кристаллы сапфира – оксида алюминия Al₂O₃ с примесями хрома и титана и несколько других кристаллов, а также стекла различных составов с неодимом, эрбием, иттербием и др. Нельзя не упомянуть разработанный в России кристалл галлий-скандий-гадолиниевого граната (ГСГГ) с примесью хрома и неодима, эффективно передающий возбуждение от ионов хрома неодиму и повышающему эффективность лазеров с широкополосной накачкой (Хе лампы-вспышки).

Основное отличие ТТЛ, использующих в качестве активной среды диэлектрические примесные кристаллы и стекла, от лазеров других типов состоит в том, что практически единственным возможным методом воздействия на твердое тело, способным нарушить состояние термодинамического равновесия без его разрушения, является облучение его мощным вспомогательным источником излучения, спектральный состав которого соответствует спектру поглощения данной активной среды.

Наличие широких полос поглощения позволяет использовать и немонохроматические источники излучения накачки. Система накачки помимо источника включает также отражатель системы накачки. Объединенные в общем корпусе активный элемент, лампа накачки и отражатель называют квантроном.

Конструктивно ТТЛ состоит (рис. 1) из следующих базовых составляющих:

1-одного или нескольких активных элементов;

2-оптического резонатора;

3-системы накачки;

4-блока питания;

5-блока охлаждения (при необходимости);

6-блока управления (при наличии элемента, управляющего режимом генерации 7);

8-нелинейного элемента (в случае генерации высших гармоник и др.).

В замкнутом объеме корпуса излучателя (см. рис. 1) размещены все элементы оптического резонатора (отражатель с устройством юстировки, затворы, диафрагмы и др.), квантрон, системы так называемой «ближней электроники», неотделимые от излучателя, например высоковольтное устройство поджига лампы накачки или высокочастотный контур питания устройства управления (акусто-оптического затвора), а также трубопроводы системы жидкостного охлаждения и т.д.

Рис. 1

Способы накачки с помощью лазерных диодов. В данной лабораторной работе изучается конструкция твердотельного лазера с поперечной диодной накачкой и параметры генерации лазера. При поперечной накачке пучок направляется в поперечном направлении по отношению к пучку генерации подобно ламповой накачке (рис. 1, а – непосредственно от решетки ЛД, б – через световолоконный жгут).

Рис. 1

Лазеры с продольной накачкой вследствие хорошего пространственного совмещения пучков накачки и генерации обеспечивают минимальные пороги генерации. Недостатком такого типа накачки является трудность освещения большого объема активной среды. Достигаемые мощности когерентного излучения составляют от единиц до сотен милливатт.

Для достижения больших мощностей излучения используется поперечная накачка, позволяющая освещать большие объемы активной среды. При этом применяются матрицы лазерных диодов, размещаемые либо вдоль боковой поверхности активного элемента, либо на некотором расстоянии от него. В первом случае свет накачки непосредственно попадает внутрь активного элемента; во втором случае свет накачки заводится в активный элемент через световолоконный жгут. Поперечный способ накачки позволяет достигать мощности генерации до единиц ватт, а в перспективе — десятков ватт. Однако с ростом мощности накачки быстро нарастают трудности отвода тепла от матриц полупроводниковых лазеров. Поэтому дальнейший прогресс в повышении мощности накачки и генерации возможен лишь с повышением КПД самих решеток полупроводниковых лазеров и соответствующего уменьшения их нагрева.

На основе мощных и сверхмощных излучателей полупроводниковых решеток и матриц в виде плоских излучающих поверхностей созданы мощные и сверхмощные ТТЛ с полупроводниковой накачкой. Такой метод накачки может использоваться не только для продольной накачки (см. рис. 2), но и для поперечной накачки (рис. 3).

Рис. 2 Рис. 3

При использовании полупроводниковой накачки эффективность использования света накачки составляет ~20%, что существенно выше КПД ламповой накачки. Тем не менее это приводит к достаточно сильному нагреву самого активного элемента. Поэтому для достижения больших мощностей излучения необходимо решить проблемы отвода тепла от активного элемента. Одним из перспективных направлений развития ТТЛ является разработка миниатюрных (микро)ТТЛ.

Диодная накачка позволила легко получить генерацию ТТЛ с малым объемом активной среды, снизить пороговые мощности накачки с долей киловатта до долей ватта и охватить твердотельными лазерами милливаттный уровень выходных мощностей (1-100 мВт). В результате был создан новый класс миниатюрных твердотельных лазеров. Использование в таких лазерах нелинейных кристаллов позволило создать малогабаритные и недорогие "зеленые" и "синие" лазеры, осуществляющие преобразование во вторую гармонику излучение ИAГ:Nd на волнах 1,064 и 0,946 мкм соответственно. Маломощными малогабаритными твердотельными лазерами с диодной накачкой перекрыт диапазон от 0,47 до 1,32 мкм (0,47; 0,53; 0,66; 0,94; 1,064; 1,32 мкм). Эти приборы получают широкое применение как лазерные указки, источники светового «луча» в геодезических приборах, лазеры для информатики, медицинской техники, аналитического приборостроения и т.п.

Дальнейшее развитие этого направления видится в широком использовании интегральной технологии. Объединение активного кристалла, пассивного затвора, резонатора, а часто и нелинейного элемента в единой жесткой гибридной конструкции (объединенной методом диффузионной сварки) привело к созданию так назваемых «микрочип-лазеров.

Возбуждаемый через оптическое волокно полупроводниковым лазером такой прибор способен излучать цуг импульсов с частотой до 50 кГц. Очень короткий резонатор (длиной не более нескольких миллиметров) позволяет при модуляции добротности без сложных дополнительных приемов получать импульсы субнаносекудной длительности.

С использованием накачки одним или несколькими мощными диодами и акустооптической модуляции добротности удается создать миниатюрные, но мощные (~ 1 Вт) источники ультрафиолетового излучения (355 и 266 нм) с применением схемы нелинейного преобразования частоты. Во всех этих случаях ТТЛ с диодной накачкой не имеет конкуренции.

Синхронизм

Возможность наблюдения многофотонных процессов, в частности – удвоения частоты, основана на нелинейном взаимодействии интенсивного монохроматического излучения с оптическими диэлектриками без центра инверсии, индуцированная поляризация которых имеет нелинейную зависимость от вызывающего ее электрического поля.

Дата добавления: 2015-10-24