ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.03.2024
Просмотров: 68
Скачиваний: 0
Завдання 3 Принцип роботи лазера на рубіні. Схема енергетичних рівнів рубінового лазера
Рубіновий лазер переважно працює в імпульсному режимі і генерує випромінювання на довжині хвилі =0,6943 мкм. Через можливість отримання великих імпульсних потужностей, а також наявності рубінових кристалів високої оптичної якості рубіновий лазер і в даний час один з найбільш відомих твердотільних лазерів.
Рубін - дорогоцінний матеріал, в чистому вигляді рідко зустрічається в природі. Це діамагнітний кристал окису алюмінію Al2O3 (-корунду) з парамагнітними домішковими іонами хрому Cr3+. Залежно від концентрації хрому кристал -корунду приймає різні кольори: 0,5% Cr - яскраво червоний, більше 8% Cr- зелений колір кристала.
Рубінові кристали мають стрижневу форму діаметром 0,3-2 см і довжину до 30 см. Рубінові кристали оптично хорошої якості відносно легко виготовляти, вони мають велику механічну міцність і високу теплопровідність, полегшують охолодження кристала.
Кристали рубіна переважно вирощують полум'яним методом, при якому в спеціальній воднево-кисневій печі розташовують порошкоподібні Al2O3 та Cr2O3 при температурі понад 2000 К, рідше використовують метод витягування кристалічного стержня з розплаву, що міститься в тиглі.
Спотворення симетрії кристала приводить до внутрішнього напруження і дефектів структури кристала. Показник заломлення рубіна для різних полярязацій і для звичайного променя становить ~ 1,76. Міцність кристала 3800 кг/см2.
Рис 3. - Структура комірки кристала рубіна.
Діаграма рівнів енергії іонів Cr3+ в рубіні складається з двох наборів рівнів (рис 4): а) характерний для стану іона Cr3+ зі спіном S=3/2, нижній рівень набору 4А2 - основний стан Cr3+ - має два підрівні з відстанями між ними 0, 3 см-1. Два верхніх рівня представляють собою рівні резонансного поглинання. Вони складаються з шести дублетів і внаслідок неоднорідності поля сильно розмиті. Другий набір рівнів (рис. 2(б)) відповідає станам іонів Cr3+ зі спіном S=1/2.
Рис 4. (а) - схема енергетичних рівнів і ймовірностей переходів для іонів Cr3+ в рубіні при температурі Т = 4,2 К і (б) - розрахункова схема енергетичних рівнів активної речовини трирівневого лазера.
Рівень 2Е - метастабільний, двічі вироджений, розщеплений на два підрівні з проміжком 29см-1, рівні A є орбітальними синглетами. Положення рівнів 3F, 2Е мало залежить від неоднорідностей кристала, і вони практично не мають розширення. В результаті спін - орбітальні взаємодії іонів Cr3+ з полем кристала електронного стану, відповідні енергетичним рівням кристала, позначаються змішаними станами. Це призводить до того, що випромінювальні переходи з рівнів 4F, 4F2 на 2F1 та 2Е заборонені правилами відбору для спіна. Однак між цими рівнями здійснюються інтенсивні безвипромінювальні переходи S32~(2…5)*107c-1 з величезним виділенням тепла. При порушенні оптичним накачуванням в смугах 4F1,4F2 зміна заселеності рівнів пов'язана зі спонтанними переходами на нижні рівні, індукованим поглинанням і випромінюванням і безвипромінювальними переходами.
Збуджені квантові частинки (іони хрому) з основного рівня 4А2 переходять на резонансно поглинальні рівні 4F1, 4F2. Час життя частинок в збудженому стані малий. Рівні 4F1, 4F2 внаслідок спонтанного переходу частинок на основний 4А2 рівень з ймовірністю А31=3*105с-1 і безвипромінювального переходу з ймовірністю S32=(2…5)107c-1 на метастабільний стан 2Е швидко збіднюється. Так як ймовірність спонтанного переходу з рівня Е мала (А21~3*102с-1), то на рівнях і можливе утворення інверсії населеності частинок. При досягненні порогового значення інверсії N=0,5N0 відбувається спонтанне і вимушене випромінювання.
Якщо інверсія заселеності не досягає порогового значення, то спостерігається тільки спонтанне випромінювання у вигляді люмінесценції рубіна на одній з двох вузьких ліній R1 (1=6943А), або R2 (2=6929А) з рівнів. Квантова ефективність в R-лініях становить ~ 0,52. Практично рубіновий лазер випромінює на R1 - лінії, тому що ймовірність переходу в ній вище і швидше досягає порогової умови.
Не всі енергетичні стани беруть участь в процесі генерації індукованого випромінювання. Тому з деякою часткою похибки зручно представити етапи поглинання і збудження, створення інверсії і випромінювання у вигляді трирівневої моделі з відповідними квантовими переходами і населенням.
В рівень
Е3
зазвичай включають зелену (4F2)
і
синю (4F1)
смуги
поглинання, які відіграють основну роль
у збудженні рівнів
та
.
Ці рівні характеризуються великою
швидкістю релаксації коливань кристалічної
решітки. Основний стан Е1
при температурі Т=300 К можна розглядати
як один рівень з виродженням g1=4.
У кристалі рубіна з масовою концентрацією
хрому, рівної 0,05%, при температурі Т=300
К ймовірність безвипромінювального
переходу становить близько 2*107с-1,
а час життя квантових частинок в
метастабільних станах дорівнює приблизно
3*10-3с.
Якщо проводити накачування світловим
потоком, паралельним осі Z рубіна, то
показник поглинання для генерації R1
- лінії становить 0,4
см-1,
а поперечний переріз поглинання одно
2,5*10-20.
Зазвичай при практичних розрахунках
рубінового лазера застосовується
наближена трирівнева модель станів.
Рубінові лазери, в даний час застосовуються менш широко, оскільки вони були витіснені лазерами на склі з неодимом. Оскільки рубіновий лазер насправді працює за трирівневою схемою, необхідна гранична енергія накачування приблизно на порядок перевищує відповідну величину для Nd лазера таких розмірів. Однак рубінові лазери все ще широко застосовуються в деяких наукових і технічних дослідженнях, для яких коротша довжина хвилі генерації рубіна дає суттєву перевагу перед Nd:YAG.
Створення лазера стало можливим після того, як були знайдені способи здійснення інверсної населеності рівнів. У побудованому Мейманом першому лазері робочим тілом був циліндр з рубіна. Діаметр стрижня був близько 1 см, довжина - близько 5 см. Торці стрижня були відполіровані і представляли собою строго паралельні один одному дзеркала. Один торець покривався щільним непрозорим шаром срібла, інший торець покривався таким шаром срібла, який пропускав близько 8% у полеглої на нього енергії. У лазері рубін висвітлюється імпульсної ксенонової лампою, яка дає світло з широкою смугою частот.
