ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ТМ:НО:YAG ЛАЗЕР

Основные уровни энергии Tm:Ho: YAG лазера [16] представлены на рис. 9.5. Ионы Тт3+ вместе с ионами Но3+ замещают ионы Y3+ в решетке. Обычная концентрация ионов Тт достаточно велика (4-10 атом.%, тогда как концен­трация ионов Но оказывается на порядок меньше. В случае использования импульсной лампы накачки активная среда дополнительно сенсибилизиру­ется ионами Сг3+, которые замещают ионы А13+ в кристалле YAG. Здесь энер­гия накачки поглощается в основном через переходы 4А2 —> 4Т2 и 4А2 -> 4Т ионов Сг3+, [46] и далее она эффективно переносится на уровень 3F4 ионаТш3+ за счет ферстеровского ион-ионного взаимодействия. При непрерывной ди­одной накачке уровень 3F4 иона Тт3+ напрямую возбуждается излучением полупроводникового AlGaAs лазера (длина волны 785 нм), и в этом случае отпадает необходимость в дополнительном легировании кристалла иона­ми Сг3+. Как в случае накачки импульсной лампой, так и в случае накачки лазерным диодом, возбужденный уровень 3F4 иона Тт3+ далее претерпевает процесс кросс-релаксации между соседними ионами по схеме: Тт(3.Р4) +

4- Тт(3#6) 2Тт([47]Н4). Данный процесс переводит оба иона Тш (возбужден­ный ион, находящийся в состоянии 8^Р4, и ион, находящийся в состоянии 3Н6) в возбужденное состояние 3Н4. Для той высокой концентрации ионов Тш, которая здесь используется, процесс кросс-релаксации преобладает над про­цессом излучательной релаксации с уровня 377’4, и это приводит к тому, что полная квантовая эффективность накачки составляет приблизительно 2 (т. е. 200%). Быстрый перенос энергии между ионами Тш (вновь благодаря ферсте - ровскому ион-ионному взаимодействию) имеет место до тех пор, пока уровень возбужденного состояния иона Тш не станет очень близким к уровню иона Но. В этом случае энергия переносится на уровень [48]/7 иона Но, после чего на пере­ходе Но3+ (5/7 5/8) происходит лазерная генерация. Фактически, лазерная

Генерация возникает между низшим подуровнем полосы 5/7 и подуровнем по­лосы 5/8, отстоящим от основного состояния на величину -462 см-1, при этом длина волны перехода составляет X = 2,08 мкм (квазитрехуровневый лазер). Без легирования ионами Но кристалл может генерировать излучение на пе­реходе 3Н4 -» 3Н6 атома Тш, с длиной волны X = 2,02 мкм.

При использовании импульсной лампы накачки активная среда выби­рается в виде стержня, при этом размеры активной среды примерно такие же, как и в случае Ег:УАО лазера (как уже рассматривалось в предыдущем разделе), а в качестве схем накачки используются эллиптические осветите­ли или схемы с близким расположением лампы и кристалла (см. рис. 6.1.). Для таких схем лазеров выходная энергия составляет до 1 Дж при длитель­ности импульса ~200 мкс, а дифференциальный КПД достигает 4% при час­тоте повторения импульсов до 10 Гц. Такие лазеры могут с успехом приме­няться для биомедицинских задач, поскольку биологическая ткань обла­дает значительным поглощением и вблизи длины волны 2 мкм (хотя это значение лежит ниже длины волны Ег лазера, 2,94 мкм). При диодной на­качке зачастую используется продольная схема возбуждения, как это по­казано на рис. 6.11а. При достаточно большом коэффициенте поглощения для ионов Тт3+ (на длине волны излучения накачки этот коэффициент со­ставляет ар = 6 см-1) толщина активной среды обычно выбирается в преде­лах 2-3 мм, при этом активная среда, как правило, охлаждается до низких температур (-Ю...-40°С) в целях уменьшения населенности нижнего ла­зерного уровня, обусловленной нагревом среды.

Безопасные для глаз лазерные радары, в которых используются Тт:Но: YAG лазеры, применяются для дистанционных измерений скорости ветра в атмосфере. Такие системы включают в себя одночастотный Тт:Но лазер с диодной накачкой, который используется в паре с Cr:Tm:Ho:YAG усилите­лем, возбуждаемым излучением импульсной лампы и использующим ячей­ку Покельса в качестве модулятора добротности.