ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ND:YAG ЛАЗЕР

На рис. 9.2 представлена упрощенная схема энергетических уровней кри­сталла Nd:YAG. Эти уровни обусловлены переходами трех 4/-электронов внутренней оболочки иона Nd3+, которые экранируются восемью внешними электронами (5s2 и 5р6). Кристаллическое поле кристалла YAG слабо влияет на упомянутые энергетические уровни, и, таким образом, для описания мож­но использовать приближение связи Рассела-Сандерса атомной физики. Уровни энергии обозначаются в соответствии с этим приближением, а сим­вол, характеризующий каждый уровень, имеет вид 2S+1Lj9 где S — суммар­ное спиновое квантовое число, J — суммарное квантовое число углового

Момента и L — орбитальное квантовое число. Следует отметить, что разре­шенные значения L, а именно L = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9... исторически обозначаются прописными буквами S, Р, D, JP, G, Н, /, L, М, iV... соответст­венно. Таким образом, основное состояние 4/9/2 HOHaNd+ соответствует со­стоянию, при котором 2S + 1 = 4 (т. е. S = 3/2), L = 6nJ = L~S = 9/2. Каж­дый уровень является вырожденным, кратность вырождения составляет (2J +1), что соответствует дискретному изменению квантового числа mJy пробегающему значения от —J до +J с шагом 1. В поле кристалла YAG, имею­щего октаэдрическую симметрию, состояния с одинаковым значением тJ имеют одинаковую энергию (в представлении эффекта Штарка) и каждый 2S+1Lj уровень расщепляется на (2 J + 1)/2 двукратно вырожденных подуров­ня. Таким образом, уровни 4/ц/2 и 4Fs/2 расщепляются на 6 и 2 подуровня соответственно (см. рис. 9.2). Следует отметить, что поскольку кратность вырождения всех подуровней всегда одинакова (т. е. g = 2), можно пренеб­речь этим вырождением и рассматривать каждый подуровень (рис. 9.2), как если бы он был отдельным невырожденным уровнем.

Две основные полосы накачки для Nd:YAG соответствуют длинам волн ~730 и 800 нм, хотя другие, более высоко лежащие полосы поглощения (см. рис. 6.7) также играют важную роль, особенно при использовании им­пульсных ламп накачки. Эти полосы связаны быстрой безызлучательной релаксацией с уровнем *F3/2, откуда идет релаксация на нижние уровни (а именно — 4/g/2, 4/ii/2» 4Аз/2 и т* Д*> см* Рис - 9.2 и рис. 2.15). Однако ско­рость такой релаксации намного меньше (т = 230 мкс), поскольку переход (в изолированном ионе) запрещен в приближении электродипольного взаи­модействия (правило отбора для электродипольно разрешенных переходов имеет вид AJ = 0 или ±1), но становится слабо разрешенным благодаря взаимодействию с полем кристаллической решетки. Заметим, что безызлуча - тельная релаксация не является настолько уж важной, поскольку релаксация вследствие ион-ионного взаимодействия (см. рис. 2.13б) при имеющейся кон­центрации атомов Nd не играет особой роли и поскольку многофотонная ре­лаксация также является неэффективной вследствие экранирования обоих состояний 5s2 и 5р6, а также вследствие большого энергетического зазора между уровнем 4F3/2 и близлежащим к нему нижним уровнем. Это означает, что уровень 4F3/2 запасает большую долю энергии накачки и поэтому хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня.

Оказывается, что из различных возможных переходов с уровня 4F3/2 на нижележащие I уровни наиболее интенсивным является переход 4F3/2 -> 4/п/2. Кроме того, уровень 4/11/2 связан быстрой (порядка наносекунд) безызлуча - тельной релаксацией в основное состояние 4/д/2, так что тепловое равновесие между этими двумя уровнями устанавливается очень быстро. Поскольку раз­ница между энергиями уровней 4711/2 и 419/2 почти на порядок величины боль­ше, чем kT, то согласно статистике Больцмана уровень 4/ц/2, с достаточной степенью точности, можно считать практически пустым, независимо от вре­мени. Таким образом, генерация лазера на переходе 4Fs/2 -» 4/ц/2 соответст­вует четырехуровневой схеме. Необходимо также принимать во внимание тот факт, что уровень 4Fs/2 расщеплен благодаря эффекту Штарка на два подуровня (Rx и R2), тогда как уровень 4/ц/2 расщеплен на шесть подуровней. Лазерная генерация обычно происходит с верхнего подуровня R2 на опреде­ленный подуровень уровня 41ц/2, поскольку этот переход обладает наиболь­шим сечением перехода вынужденного излучения. Этот переход осуществ­ляется на длине волны X = 1,064 мкм (ближний ИК-диапазон) — наиболее распространенная длина волны генерации для Nd: YAG лазеров. Однако не­обходимо напомнить, что лазерную генерацию можно также получить и на переходе 4F3/2 -» 41ц/2 (см. рис. 2.15, X = 1,319 мкм — наиболее интенсив­ная линия в этом случае), реализуя многослойное диэлектрическое покры­тие на зеркалах резонатора, которое имеет максимальное отражение на дли­не волны X = 1,319 мкм и значительно меньшее отражение на длине волны X = 1,064 мкм (см. рис. 4.9). При использовании лазерных диодов в качест­ве накачки лазерная генерация может эффективно осуществляться и на пе­реходе 4Fd/2 —> 4/9/2. В этом случае переход на длине волны X = 946 нм (см. рис. 2.15) осуществляется на подуровень состояния 4/9/2, который, несмотря на то, что он расположен достаточно высоко, оказывается все еще в значи­тельной степени заселенным (согласно статистике Больцмана), и система здесь работает по квази-трехуровневой схеме. И в этом случае рабочий переход (X = 1,064 мкм), а также возможно все другие переходы, оказываются одно­родно уширенными при комнатной температуре вследствие взаимодействия с фононами решетки. Соответствующая ширина Дv = 4,2 см-1 = 126 ГГц при тем­пературе Т = 300 К. Это делает Nd:YAG очень подходящим для генерации в режиме синхронизации мод и получения импульсов длительностью 5 пс при использовании пассивной синхронизации (см. пример 8.8). Большое время Жизни верхнего лазерного уровня (т = 230 мкс) позволяет также использо­вать Nd:YAG для работы в режиме модуляции добротности. В табл. 9.3 при­ведены все основные оптические и спектральные характеристики Nd:YAG лазеров, работающих при комнатной температуре.

Nd:YAG лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме, при этом накачка может осуществляться как лампой, так и полу­проводниковым AlGaAs лазером [5]. При ламповой накачке обычно исполь­зуются линейные лампы в схемах с одноэллипсным осветителем (рис. 6.1а), а также схемы с близким расположением лампы и кристалла (рис. 6.1 б) или с Многоэллипсным осветителем (рис. 6.2). Для работы в импульсном и непре­рывном режимах применяются соответственно ксеноновые лампы среднего

Давления (500-1500 мм рт. ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4-6 атм.). Если в качестве активной среды лазера выбирается стержень, его диаметр обычно составляет от 3 до 6 мм и длина от 5 до 15 см. Для уменьше­ния влияния тепловой линзы и теплового двулучепреломления, возникаю­щих в активной среде вследствие накачки, иногда применяется вспомога­тельная конфигурация (рис. 6.3а). Как в импульсном, так и в непрерывном режиме дифференциальный КПД лазера составляет около 3%, и, как прави­ло, средняя выходная мощность достигает нескольких киловатт (1-3 кВт). Непрерывные лазеры с продольной накачкой лазерными диодами (рис. 6.11) обеспечивают выходную мощность до ~15 Вт; в случае поперечной накачки лазерными диодами (рис. 6.14 и 6.15) выходная мощность таких лазеров на сегодняшний день достигает 100 Вт и выше. Дифференциальный КПД при использовании диодной накачки оказывается значительно выше по сравне­нию с ламповой и может превышать 10%.

Nd:YAG лазеры широко применяются в различных областях, среди ко­торых можно отметить следующие:

1. Обработка материалов (сверление, сварка и пр.). В случае сверления излучение импульсного лазера фокусируется на поверхность обрабатывае­мого материала (обычно обеспечивается средняя мощность 50-100 Вт с энер­гией в импульсе Е = 5-10 Дж, длительностью импульса Дтр = 1-10 мс и час­тотой повторения импульсов f = 10-100 Гц). При сварке материалов пучок импульсного лазера переносится на рабочую поверхность через оптическое волокно (диаметр волокна 0,5 ч - 2 мм, средняя мощность здесь, как правило, составляет до 2 кВт). Для таких применений, в качестве альтернативы мощ­ному Nd:YAG лазеру выбирается мощный С02 лазер, вследствие большей гибкости формирующей пучок оптической системы, что достигается за счет использования оптического волокна.

2. Применение в медицине. Для коагуляции и для разреза тканей ис­пользуются непрерывные Nd: YAG лазеры с мощностью излучения до 50 Вт*

При этом излучение лазера направляется во внутренние органы человека (например, легкие, брюшная полость, мочевой пузырь) через вставленное в обычный эндоскоп оптическое волокно. Для разрушения незаметных мем­бран патологических образований, которые могут формироваться в перед­ней камере глаза человека (например, вторичная катаракта), или при лече­нии иридоктомии, как правило, используются импульсные Nd: YAG лазеры, работающие в режиме модуляции добротности.

3. Применение в лазерной дальнометрии для военных задач, особенно для лазерных видоискателей и указателей цели. В этих случаях использу­ются лазеры, работающие в режиме модуляции добротности (Е « 100 мДж, Атр = 5-20 не, f = 1-20 Гц).

4. Различные научные применения. Здесь широко используются лазеры с модулированной добротностью, с возможностью генерации второй (к = 532 нм), третьей (к = 355 нм) и четвертой гармоник (А, = 266 нм), а также лазеры, ра­ботающие в режиме синхронизации мод. И наконец, здесь следует отметить Nd: YAG лазеры с диодной накачкой и встроенным внутрирезонаторным уст­ройством для генерации второй гармоники, позволяющие в непрерывном режиме получать на выходе излучение с длиной волны к = 532 нм и мощно­стью до ~ 10 Вт, и являющиеся достойной альтернативой Ar лазеру во многих сферах применения.