11.18M

Category:

physics

Активные среды твердотельных лазеров

1. Лекция 8

Активные
среды
твердотельных
лазеров
02.05.2017
1

2.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
2

Активные среды твердотельных лазеров
Требования к матрице:
Хорошие оптические св-ва (однородность, прозрачность на
длинах волн генерации и накачки)
Хорошие механические св-ва (прочность, теплопроводность)
Технологичность производства
3

4.

Активные среды твердотельных лазеров
Наиболее употребительные матрицы
(и менее
употребительные…)
4

5.

Активные среды твердотельных лазеров
Наиболее употребительные матрицы
(и менее
употребительные…)
Гадолиний-скандий-галиевый
Галий-гадолиниевый
Иттрий-скандий-галиевый
Гранат
Лантан-лютециевый
Иттрий-галиевый
Гадолиний-скандий-алюминиевый
5

6.

Активные среды твердотельных лазеров
Активаторы
Требования к активаторам:
Развитый спектр поглощения (для ламповой накачки)
Правильная спектроскопическая схема (узкие линии
люминесценции, большие времена жизни метастабильных
уровней,…)
Способность входить в матрицу без отрицательных побочных
эффектов (внесение оптических неоднородностей, тушение
люминесценции, …)
6

7.

Активные среды твердотельных лазеров
Активаторы
7

8.

14_2_11
8

9.

Активные среды твердотельных лазеров
Почему редкоземельные ионы?
9

10.

Активные среды твердотельных лазеров
Экзотика
10

11.

Активные среды твердотельных лазеров
Методы выращивания кристаллов
Метод Вернейля (1902 г):
Просыпка порошковой шихты в
трубчатую печь шихта расплавляется
во время падения в кислородноводородном пламени питание капли
расплава на поверхности затравки.
Преимущества: отсутствие флюсов и
тиглей. Недостатки: стехиометрия
состава может нарушаться вследствие
восстановления компонентов водородом
и испарения летучих веществ. Скорость
выращивания – несколько мм/час.
Рубин.
11

12.

Активные среды твердотельных лазеров
Методы выращивания кристаллов
Метод Вернейля:
12

13.

Активные среды твердотельных лазеров
Методы выращивания кристаллов
Метод Чохральского (1916 г;
промышл. с 1950):
По методу Чохральского производят
вытягивание вверх на затравку
монокристалла из ванны (иридий!) с
расплавом. Нагрев - СВЧ излучением.
Для снятия возникающих напряжений
используют дополнительную печь, через
которую проходит выращиваемый
кристалл и отжигается.
Основной метод производства лазерных
кристаллов.
13

14.

Активные среды твердотельных лазеров
Рубин
Впервые лазерное излучение
было получено с помощью
кристалла рубина:
Al2O3:Cr3+
14

15.

Активные среды твердотельных лазеров
Рубин
15

16.

Активные среды твердотельных лазеров
Рубин
16

17.

Активные среды твердотельных лазеров
Рубин
17

18.

Активные среды твердотельных лазеров
Рубин
Впервые лазерное излучение
было получено с помощью
кристалла рубина:
Al2O3:Cr3+
Зачем беленькие концы?
18

19.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd
«Рабочая
лошадка» в
области
применений
твердотельных
лазеров
19

20.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd
«Рабочая
лошадка» в
области
применений
твердотельных
лазеров
1338 nm
1319 nm
1064 nm
946 nm
20

21.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd
«Рабочая
лошадка» в
области
применений
твердотельных
лазеров
21

22.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd
«Рабочая
лошадка» в
области
применений
твердотельных
лазеров
При какой
температуре
населенность
нижнего
рабочего
уровня станет
10% от
концентрации?
22

23.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd : люминесценция
23

24.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd: люминесценция
24

25.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd: температурная зависимость люминесценции
25

26.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd: поглощение
?
26

27.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd: поглощение вблизи 800 нм (diode pumping)
27

28.

Активные среды твердотельных лазеров
Диодная накачка
YAG:Nd
28

29.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd
29

30.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd
30

31.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd
«Рабочая
лошадка» в
области
применений
твердотельных
лазеров
31

32.

Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Nd
32

33.

Активные среды твердотельных лазеров
Nd стекло
Преимущественная область
применения – сверхмощные
импульсные лазерные
системы.
33

34.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Nd стекло
34

35.

Активные среды твердотельных лазеров
Nd стекло: поглощение
35

36.

Активные среды твердотельных лазеров
Nd стекло: поглощение
36

37.

Активные среды твердотельных лазеров
Nd стекло
37

38.

Активные среды твердотельных лазеров
Nd стекло: система накачки мощного усилителя для ЛТС
Nd стекло
38

39. National Ignition Facility at LLNL

14_2_11
39

40.

Активные среды твердотельных лазеров
Соактивация – увеличение КПД при широкополосной накачке
Cr [3+]
Nd[3+]

41.

Активные среды твердотельных лазеров
Соактивация – увеличение КПД при широкополосной накачке
Nd:Cr:GSGG

42.

Активные среды твердотельных лазеров
Соактивация – увеличение КПД при широкополосной накачке
42

43.

Активные среды твердотельных лазеров
Nd:YLF
43

44.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Nd:YLF
44

45.

Nd:YLF
Активные среды твердотельных лазеров
45

46. Лекция 9

Активные
среды
твердотельных
лазеров
(продолжение)
02.05.2017
46

47.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Nd:YVO4
47

48.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Nd:YVO4
48

49.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Nd:YVO4
49

50.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Er:YAG
1.54 μm
50

51.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
YAG:Er с высокой
Er:YAG концентрацией Er
медицинские применения
Стекла с невысокой
концентрацией Er
(соактивация Yb)
Eye-safe lasers
1.54 μm
51

52.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Er:YAG
52

53.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Er:YAG
53

54.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Er:YAG
54

55.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Er:YAG
55

56.

As-SAs-S glassesAgCl-AgBr
Chalcogenide
Проблема доставки 3-микронного излучения к
операционному полю
Er:YAG
56

57.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Er:Yb-стекло
57

58.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Er:Yb-стекло
58

59.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Волоконные усилители
(Er Doped Fiber Amplifiers, EDFA)
59

60.

14_2_11
60

61.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
61

62.

14_2_11
62

63.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Перестраиваемые лазеры
63

64.

В лазерах на электронных переходах линии узки. В перестраиваемых
лазерах в дело вступают колебательные подуровни спектра,
связанные с взаимодействием генерирующего иона с решеткой
(фононы). Электрон-фононное взаимодействие создает колебательные
подуровни, размывающие узкие линии в полосы. Общая энергия
лазерного перехода сохраняется, распределяясь между множеством
фотон-фононных пар, так что энергия излученных фотонов
изменяется (квази)непрерывным образом, и при каждом акте
излучения фотона излучается или поглощается также и фонон.
“Vibronic lasers”
64

65.

Следствия:
1) Время жизни возбужденного состояния
2) Поперечное сечение вынужденных переходов
для перестраиваемых лазеров или лазеров УКИ характерны
малые значения
или
или обоих!
требуются большие мощности накачки
лазерная.
накачка ЛД или
“Vibronic lasers”
65

66.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Перестраиваемые лазеры: история
66

67.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Лазеры на основе Cr. 1) Александрит
Назван в честь Александра II
Преподнесен в день его 16-летия
16 апр. 1834 г. Л. А. Перовским.
67

68.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Лазеры на основе Cr. 1) Александрит
68

69.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Лазеры на основе Cr. 1) Александрит
69

70.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Лазеры на основе Cr. 1) Александрит
70

71.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Лазеры на основе Cr. 1) Александрит
71

72.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Лазеры на основе Cr. 1) Александрит
72

73.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Лазеры на основе Cr. 2) Прочие
73

74.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Лазеры на основе Cr. 2) Прочие
74

75. Лекция 9

Активные
среды
твердотельных
лазеров
(окончание)
02.05.2017
75

76.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Ti-сапфир
76

77.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Ti-сапфир
77

78.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Ti-сапфир
78

79.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Ti-сапфир
3900S CW Tunable
Ti:Sapphire Laser
Tunable, CW output from
675 to 1100 nm.
Pumped with either an
argon ion laser or 532 nm
diode-pumped solid state
laser, the Model 3900S solid
state Ti:Sapphire laser
produces up to 3.5 W of
TEM00.
79

80.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Ti-сапфир
Highest output power available >6.5 W
Narrowest linewidth <30 kHz
Wavelength tuning of resonator over 50 GHz
80

81.

Физические основы создания твердотельных лазерных систем
Активные среды твердотельных лазеров
Ti-сапфир
Triangles: sub-7 fs pulses, circles:
∼200 fs pulses.
Seed power : 500 mW (for sub7 fs) pulses;400 mW (for ∼200 fs)
Inset: seed power for 200 fs
pulses, 18.5 W of pump power.
81