Лабораторная работа I-4 «Лазерные системы для оптоинформатики. Лазер на кристалле алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима»

Цель работы: изучить принципы работы и устройство наиболее распространенного импульсного твердотельного лазера на кристалле алюмоиттриевого граната с неодимом (YAG:Nd).

Объект исследования: импульсно-периодический лазер на основе кристалла алюмоиттриевого граната с ионами неодима, режим свободной генерации, режим модуляции добротности резонатора пассивным затвором на основе кристалла фтористого лития, режим удвоения частоты.

Задачи, решаемые в работе:

1. Ознакомиться с устройством импульсно-периодического лазера на YAG:Nd, работающего в частотном режиме в условиях модуляции добротности резонатора, с помощью пассивного затвора на основе кристалла фтористого лития. Выполнить измерения мощности излучения лазера на основной длине волны (l = 1064 нм) в различных режимах его работы / режим свободной генерации, режим с модулированием добротности резонатора /.

2. Оценить угловую расходимость основного излучения лазера на YAG:Nd в различных режимах, включая режим с малой диафрагмой в резонаторе. Дать оценку плотности мощности излучения, которая может быть получена с помощью данного генератора.

3. Получить режим удвоения частоты излучения, используя преобразователь на основе нелинейно-оптического кристалла калия дигидрофосфата (KDP) или кристалла ниобата лития, произвести измерения мощности излучения второй гармоники с длиной волны l = 532 нм. Оценить величину коэффициента преобразования основного излучения во вторую гармонику.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

       Используемый в настоящей работе лазер на кристалле YAG:Nd работает по так называемой четырехуровневой схеме. Трехвалентные ионы неодима, расположенные внутри кристалла граната, имеют систему энергетических уровней, схематически изображенную на рис. 1. Уровень ⁴ I_9/2, называется основным и соответствует минимально возможному значению энергии, которую могут иметь ионы в матрице кристалла или стекла.

Рис. 1. Схема энергетических уровней иона неодима в кристалле иттрий-алюминиевого граната (YAG:Nd).

Лазерный переход с l = 1,06 мкм является наиболее сильным из переходов ⁴ F_3/2 ->

->⁴ I_11/2. Две основные полосы накачки (поглощения ионов неодима) расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм соответственно. Эти полосы связаны по­средством быстрой безылучательной релаксации с уровнем ⁴ F_3/2, а нижний уровень ⁴ I_11/2 связан также быстрой безызлучательной релаксацией с основным состоянием. Кроме того, раз­ница между энергиями уровней ⁴ I_11/2  и ⁴ I_9/2 почти на порядок величины больше энергии теплового возбуждения (kT), таким образом, при комнатной температуре, практически все ионы находятся в основном состоянии. Из всего этого следует, что неодимовый лазер работает по четырехуровневой схеме. Лазерный переход в неодимовом лазере (преимущест­венно) является однородно уширенным, и соответствующая ши­рина составляет 195 ГГц при температуре Т = 300 К.

       В неодимовом лазере основная доля мощности накачки расходуется на по­тери в резонаторе и на полезное выходное излучение. При этом для получения генерации достаточно перевести на уровень ⁴ F_3/2 лишь малую часть ионов неодима, находящихся на основном уровне. Это выгодно отличает подобный вид лазеров от лазеров, работающих по трехуров­невой схеме. В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень и для создания инверсной населенности требуется перевести на метастабильный уровень не менее половины ионов с основного уро­вня, а с учетом потерь в резонаторе и полезного излучения - бо­лее половины ионов. Поэтому в трехуровневых лазерах (например, у лазера на рубине) мощность накачки расходуется менее производительно и КПД этих лазеров существенно ниже.

       Режим свободной генерации получается в случае накачки активной среды импульсным излучением с временем импульса накачки меньшим или равным времени жизни на метастабильном верхнем рабочем уровне, приблизительно равному для YAG:Nd 300 мкс. В данном случае, в зависимости от энергии накачки, могут генерироваться много хаотически расположенных во времени световых импульсов, каждый из которых длительностью порядка 1 мкс, при общей длительности несколько меньшей длительности возбуждающего светового импульса (100…200 мкс).

       Для получения более коротких лазерных импульсов, обладающих значительно большей мощностью, используется режим модуляции добротности резонатора. Все известные методы модуляции добротности резонаторов подра­зделяются на активные и пассивные, К активным методам модуляции относят те, в которых модулирующие устройства меняют значение по­терь, вносимых в резонатор, по заранее заданному закону или в со­ответствии с внешним управляющим сигналом. Пассивные модулирующие элементы управляются непосредственно полем излучения, имеющимся в резонаторе.

       Схемы с пассивными фототропными просветляющимися затворами применяются для модуляции добротности с целью получения световых импульсов наносекундного диапазона и большой мощности. Фототропный затвор предста­вляет собой резонансный поглотитель, прозрачность которого изменя­ется под действием интенсивного светового (лазерного) потока. Вещество, из которого изготовлен фототропный затвор, содержит моле­кулы (атомы), резонансно поглощающие излучение на частоте рабо­чего перехода для данного лазера.

       Для лазеров в качестве просветляющихся фототропных сред обычно используют растворы полиметиновых красителей. Однако фототропные затворы на осно­ве полиметиновых красителей имеют низкую лучевую стойкость и при работе лазера на частоте 30 - 40 Гц быстро выходят из строя. На данной лабораторной установке используется фототропный затвор, созданный на ос­нове кристалла фтористого лития, роль поглощающих центров в кото­ром выполняют дефекты в кристаллической решетке, создаваемые гамма-излучением (F – центры). Просветляющийся фильтр на основе крис­талла фтористого лития обладает повышенной лучевой стойкостью и позволяет работать с частотами следования импульсов до 100 Гц.

       Для эффективного удвоения частоты нелинейная среда должна быть оптически прозрачна на частотах w и 2w, иметь достаточно большое двулучепреломление, нелинейная восприимчивость c⁽²⁾должна быть по возможности максимальной. Перечисленные условия   наиболее полно удовлетворяются кристаллах дигидрофосфата калия КН₂РО₄ ( К DР), дигидрофосфата аммония NН₃Н₂ РО₄ (А DР), ниобата лития LiNb0₃, калий-титанил-фосфата (KTiOPO₄ (KTP)) и др. При выполнении условия волнового синхронизма в кристаллах достигается коэффициент преобразования во вторую гармонику до 50%. Более эффективны системы, в которых нелинейный кристалл помещают внутри лазерного резонатора. При оптимальном согласовании оптических элементов резонатора можно обеспечить выходное излучение только на частоте второй гармоники.