Спектральна та енергетична характеристикака

Оптична накачка

При оптичному накачуванні випромінювання потужного джерела світла поглинається активним середовищем і таким чином переводить атоми активного середовища на верхній рівень. Цей спосіб особливо добре підходить для твердотільних (наприклад, для рубінового або неодимового) лазерів. Механізми розширеня ліній в твердих тілах призводять до дуже значного розширення спектральних ліній, так що зазвичай ми маємо справу не з накачуванням рівнів, а з накачуванням смуг поглинання. Отже, ці смуги поглинають помітну частку (зазвичай широкосмугового) світла, випромінюваного лампою накачування.

Типова схема рівнів активної cреди

твердотільного лазера безперервної дії.

Випромінювана джерелом накачування світлова енергія повинна на бути з мінімальними втратами передана активному середовищі. Низька ефективність використання оптичної енергії накачування немонохроматичним джерел випромінювання ( ≈ 6 - 15%) разом з невисоким коефіцієнтом перетворенням електричної енергії в світлову (у газорозрядних лампах '≈ 30 ... 50%, а у ламп розжарювання <10 ) і втратами в оптичних схемах накачування ( "= 30 - 70%) є основними факторами, що визначають невисокий сумарний ККД лазерів з оптичним накачуванням ( = 0,1 - 5%).

Схемы систем иакачки твердотельных лазеров: / — активное те­ло, 2 — лампа накачки, 3 — отражатель

Вибір оптичної схеми накачування залежить від вимог, що пред'являються до лазеру в кожному конкретному випадку. Найбільшою простотою відрізняються схеми накачування на основі смугових або спіральних ламп. В порожнинних лампах (рис. 27, а) відображає покриття наноситься на зовнішню поверхню лампи, а для спіральних ламп потрібні спеціальні освітлювачі, які виконуються у вигляді циліндричного екрану, усередині якого розташовується лампа з робочим тілом лазера (рис. 27, б). Використання освітлювачів з порожнинними лампами дозволяє отримати найбільшу концентрацію енергії в активному тілі при гарній рівномірності. Охолоджуюча рідина прокачується в зазорі між внутрішньою порожниною лампи і активним середовищем, що забезпечує високу ефективність охолодження.

Схемы систем иакачки твердотельных лазеров: / — активное те­ло, 2 — лампа накачки, 3 — отражатель

У лазерах з безперервною генерацією можуть застосовуватися сфероконічні освітлювачі (рис. 27, в), для яких характерно багаторазове проходження світла через активне середовище. Оптичні схеми з осьовою симетрією ефективно працюють з порівняно короткими активними, мають діаметр на 1 -1,5 мм більше, ніж діаметр лампи.

Найбільш широко в твердотільних лазерах застосовуються освітлювачі, що мають форму еліптичного циліндра, у яких лампа розташована паралельно активному тілу, причому осі лампи та активного середовища лазера збігаються з фокальним осями циліндра (рис. 27, г). Однолампові еліптичні циліндри мають високу ефективність ( ≈ 75%) - Крім того, вони дозволяють роздільно охолоджувати лампу і робоче тіло і забезпечують порівняно одномірну оптичну накачування активного середовища, якщо її перетин багато менше поперечних розмірів відбивача.

Схемы систем иакачки твердотельных лазеров: / — активное те­ло, 2 — лампа накачки, 3 — отражатель

У лазерах з великою вихідний енергією застосовуються робочі тіла у вигляді стержнів, діаметр яких перевищує діаметр лампи накачування. В цьому випадку для підвищення ефективного накачування використовують багатолампові оптичні схеми. Кожна лампа розташовується в фокальних осях еліптичних циліндрів, а на їх загальну сполучену фокальну вісь розміщують робоче тіло (рис. 27, с). Відносна величина енергії, що потрапляє в активне середовище, зростає в міру збільшення кількості ламп, проте загальна ефективність системи знижується. У дуже потужних лазерах вихідні енергетичні параметри визначаються стійкістю матеріалу активного середовища, тому в таких системах потрібно збільшувати поперечні розміри робочого тіла. Проте збільшення діаметра циліндричного робочого тіла обмежено неоднорідністю накачування, пов'язаної поглинанням випромінювання. Крім того, в деяких випадках застосування циліндричних активних тіл небажано через виникнення в них високих термічних напруг.

Для зниження осьового градієнта температури і збільшення вихідної енергії без руйнування торця використовують дискові системи (рис. 27, е). У них диски накачуються зі сторони торцевої поверхні і мають нахил, близький до кута Брюстера, що знижує втрати при відбитті і запобігає можливість паразитної генерації за рахунок відбиття від торців.

Характеристики імпульсних ламп оптичної накачки

Матеріали

Спектральна та енергетична характеристикака

У порівнянні з дуговою лампою, накачування лазерними діодами має кілька переваг. Так як діодний лазер виділяє інтенсивне світло у вузькій спектральній лінії, і якщо ця лінія співпадає зі смугою поглинання спектра лазерного речовини (див. схему 6а), втрати енергії накачування і термальна навантаження активного елемента буде мінімальною. Інші перевагами накачування лазерними діодами є компактність, висока надійність, довговічність і ефективність (перехід електричної енергії в світлову (див. схему 6b).

Інші види накачки

1. Накачка з допомогою допоміжного випромінювання. Використовується в твердотільних лазерах (на діелектриках), в рідинних, газових та інколи н/п лазерах. При цьому типі накачки активна речовина опромінюється потужним електромагнітним випромінюванням, яке наз. додатковим випромінюванням накачки. Випромінювання вибирається таким чином, щоб воно максимально поглиналось активною речовиною, для проведення основних активних центрів речовини з основного в збуджений стан. В якості накачки використовують в оптичному діапазоні різні джерела світла: звичайні лампи розжарювання, спеціальні потужні лампи вспишки, ртутні лампи і т.д.

2. Накачка за допомогою газового розряду. Цей метод застосовується тільки в газових лазерах, де збудження активних атомів відбувається за рахунок непружних зіткнень, що призводить до обміну енергією частинок в хмарі газового розряду (денні лампи). Використ. вільні , атоми, молекули, іони. Дуже широко використ в лаз. техніці (СО, СО2, Не-Ne, Ar, азотні).

3. Метод сортування частинами. В цьому методі застосовується просторове розділення частинок. Збуджені частинки попадають в активне тіло, а не збудженні частинки виводяться за межі активного тіла резонатора. Розділення можна виконати, використовуючи ефект, що збуджені і не збуджені частинки речовин по-різному реагують на електр. і магнітне поля. Такий тип накачки викор. у пучкових лазерах, які працюють у надвисокому частотному діапазоні. Молекули робочої речовини, що знаходяться у стані термодинамічної рівноваги у збудженому і незбудженому стані мають різну енергію і це дозволяє керувати їхнім розташуванням в просторі.

Цей метод дозволяє працювати на дворівневій схемі.

4. Інжекція неосновних носіїв зарядів через р-п перехід. Метод застосовується в н/п інжекційних лазерах і дозволяє безпосередньо без проміжних процесів перетворювати електричну енергію джерела у випромінювання лазера. Для цього методу характерні процеси дифузії та дрейфу носіїв заряду в н/п гомо- і гетеро переходів, які зміщуються в протилежному напрямку.

5. Хімічна накачка. Найчастіше використав. в газових лазерах. В них відбувається ряд хімічних реакцій, де реагуюча речовина знаходиться у газоподібному збудженому стані. Результатом хім.реакції є переведення квантових частинок у збуджений стан. хім. Лазер працює однократно.

6. Газодинамічна накачка. Застосовується у газовому лазері, в якому робочий газ розігрівається до високої температури, після чого робиться різке охолодження. Переходячи у рівноважний стан частинки газу затримується в найбільш довго живучих станах, які мають назву метестабільні стани в результаті чого отримується інверсія населеності.

7. Збудження речовини частинками високих енергій. В якості збудження використовують прискорені частинки ( ).Такий метод використ. В н/п лазерах з електронною накачкою. Прискорений пучок направлений на мішень з н/п і викликає збудження активних центрів

Використана література:

Книги: