|
Практическое занятие№5
Рубиновый лазер
Рубиновый лазер был создан Т. Мейманом в 1960 году. Рабочим веществом
является рубин - кристалл оксида алюминия Al2O3(корунд), в который при
выращивании введена примесь – оксид хрома Cr2O3. Красный цвет
кристалла рубина обусловлен излучением иона хрома Cr3+, который в
кристаллической решетке замещает ион Al3+. Густота красного цвета рубина
зависит от концентрации ионов Cr3+, в темно-красном рубине концентрация
Cr3+ достигает 1%. Характерные концентрации ионов Cr3+ в рубине – 0.01 –
0.5%. Так как система Cr3+: Al2O3 работает по трехуровневой схеме,
инверсия населенности достигается только при возбуждении 50% ионов
Cr3+. Это приводит к высокому порогу генерации. В кристалле рубина
имеются два узких энергетических уровня E1 и E' 1(рис.1.12), при переходе с
которых на основной уровень атом излучает свет с длинами волн 694,3 нм и
692,8 нм. Ширина этих линий около 0,4 нм, вероятность вынужденных
переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Рубиновые лазеры
могут работать в импульсном или непрерывном режиме. Из-за низкого КПД
СКФУ_ИЭЭиН_ТН
(около 0.1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по
сравнению с другими твердотельными лазерами непрерывного действия. При
работе в импульсном режиме без модуляции добротности выходное
излучение лазера состоит из повторяющихся пичков длительностью около 1
мкс с большой мощностью в максимумах.
Рис. 1.12. Схема энергетических уровней хрома в кристалле рубина
Типичная схема конструкции рубинового лазера приведена на рисунке 1.13.
Рисунок 1.13 - Конструкция рубинового лазера
Излучение рубинового лазера характеризуется большой мощностью при
невысоком
качестве
излучения
(неоднородное
распределение
по
поперечному сечению, пичковый характер излучения).
СКФУ_ИЭЭиН_ТН
Задачи
1. Лазер мощностью 10 Вт излучает свет длинной волны 600нм.
Вычислить поток квантовизлучения.
2. Определить пороговую населенность для начала генерации на
1
R
-
линии рубина.
Диаграмма энергетических уровней иона Сг
3+
в рубине показана на рис. 1.
Уровень
E
двукратно, уровень
2
4
A
четырехкратно вырождены. Плотность
активных частиц для стандартного рубинового кристалла п
П
= 1,6 • 10
19
см
-3
,
температура кристалла Т =300 К, зеркала нанесены прямо на грани кристалла
и имеют коэффициент отражения r
отр
=
0,9, длина кристалла
= 5 см,
полуширина линии люминесценции на полувысоте
-1
см
5
,
5
v
, время
спонтанного излучения перехода
c
A
A
E
A
E
3
,
2
4
10
3
/
1
,
2
4
, показатель
преломления кристалла п
r
=1,76, длина волны излучения в вакууме
5
10
7
см.
СКФУ_ИЭЭиН_ТН
Примечание. При расчете необходимо учитывать также уровень
A
2
.
лежащий выше уровня
E
на 29 см
-1
. Между уровнями
E
и
A
2
тепловое
равновесие устанавливается достаточно быстро, так что населенности этих
уровней подчиняются распределению Больцмана.
30
25
20
15
10
5
Рис. 1. Диаграмма энергетических уровней иона Сг
+3
в рубине. Справа показано в
сильно увеличенном масштабе, что уровень
4
А
2
расщеплен на два с расстоянием 0,38
см
-1
между ними
Эн
ерги
я, с
м
-1
х10
-3
4
F
1
4
F
2
2
E
4
A
2
29см
-1
0,38см
-1
2Ā
Ē
R
2
R
1
СКФУ_ИЭЭиН_ТН
3. Приписать рабочим уровням (рис. 1)
1
R
линии рубина значение
абсолютном отрицательной температуры на пороге генерации.
4. Оценить минимальную мощность лампы-вспышки, необходимую
для накачки рубинового лазера. Число активных частиц в кристалле
19
10
1
n
част/см
3
, объем кристалла V =10 см
3
. Время жизни частиц на верхнем
рабочем уровне
c
сп
3
10
3
. Середина полосы, в которую происходит
основное поглощение излучения источника накачки,
14
10
6
v
Гц. Принять
к.п.д. лампы накачки 100%.
Инверсия наступает, если на верхнем рабочем уровне находится более
половины активных частиц.
30
25
20
15
10
5
Рис. 1. Диаграмма энергетических уровней иона Сг
+3
в рубине. Справа показано в
сильно увеличенном масштабе, что уровень
4
А
2
расщеплен на два с расстоянием 0,38
см
-1
между ними
Эн
ерги
я, с
м
-1
х10
-3
4
F
1
4
F
2
2
E
4
A
2
29см
-1
0,38см
-1
2Ā
Ē
R
2
R
1
СКФУ_ИЭЭиН_ТН
Do'stlaringiz bilan baham: |
