ЛАЗЕРНАЯТЕХНОЛОГИЯ


The Presentation inside:

Slide 0

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Лекция-10 НИЯУ МИФИ ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Кафедра № 70


Slide 1

Лазерные технологические установки на основе твердотельных лазеров. Сравнительные характеристики активных сред твердотельных лазеров. Среди множества кристаллов с различными примесями наиболее широкое применение нашли Al2O3:Cr3+ (рубин) и Y3Al5O12:Nd3+(иттрий-алюминиевый гранат - YAG). Прочие лазерные кристаллы по разным причинам применяют гораздо реже, в лабораторной лазерной технике. Промышленность выпускает также лазеры на основе различных стекол с Nd3+ (для технологических лазеров) и стекловолокон с Er3+, Yb3+ (для волоконных лазеров).


Slide 2

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Рубин представляет собой ионный кристалл окиси алюминия (глинозем, корунд, лейкосапфир или просто сапфир) Al2O3 с замещением части ионов Al3+ на Cr3+. Нелегированный корунд - кристалл, по твердости уступающий только алмазу, с заметным двулучепреломлением (показатель преломления для обыкновенной волны 1.76). Теплопроводность его при комнатной температуре на порядок хуже, чем у металлов, а при снижении температуры теплопроводность растет, достигая максимума вблизи температуры жидкого азота, где она становится лучше, чем у меди. Оптимальной принято считать концентрацию ионов хрома около 0,05% (по массе). Повышение концентрации хрома, во?первых, снижает однородность накачки за счет более сильного светопоглощения. Во?вторых, при высокой концентрации легирующих ионов их уровни энергии испытывают уширения и сдвиги за счет взаимодействий между близко расположенными ионами. Чисто кулоновское взаимодействие дает сдвиг и некоторое неоднородное уширение. Обменное взаимодействие из?за перекрытия волновых функций локализованных состояний ионов превращает уровень энергии в квазинепрерывную полосу (примесную зону), внутри которой облегчены пространственная миграция энергии возбуждения и релаксационные процессы. Результатом обменного взаимодействия будет дополнительное однородное уширение. Изредка используют рубины с содержанием хрома до 1%. В этих случаях нужна очень мощная накачка, но и энергия излучения может быть гораздо большей.


Slide 3

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Систему уровней энергии ионов Cr3+, показанную на рисунке, приближенно описывает простая трехуровневая схема. Излучение накачки поглощается на переходах 4A2 ? 4F1,2 (сине-зеленая и фиолетовая полосы поглощения – 0.55 и 0.4 мкм). Время жизни 4F?состояний мало (10-7 ..10-8 с); его определяют безызлучательные переходы в метастабильное состояние 2E, расщепленное на два близких (29 см?1) подуровня, 2A и Е. Их заселенности при комнатной температуре практически одинаковы (kT ? 200 см-1). Переходы из этих долгоживущих состояний ( 3 мс ) в основное и способны дать лазерную генерацию на линиях R1 (693,4 нм) и R2 (692,9 нм). Указанные длины волн лазерных переходов относятся к комнатной температуре; при понижении температуры кристалла они уменьшаются под влиянием решетки.


Slide 4

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Импульс рубинового лазера.


Slide 5

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Для рубинового (и вообще трехуровневого) лазера разумно определить два пороговых уровня мощности накачки: порог инверсии - мощность, необходимая для уменьшения в два раза заселенности основного состояния; при этом заселенности нижнего и верхнего рабочих уровней лазера будут равными; порог генерации - мощность, необходимая для полной компенсации потерь излучения в лазере усилением активной среды. Еще одно важное свойство трехуровневой активной среды - поглощение на частоте самого лазерного излучения в пассивных (не освещенных интенсивным излучением накачки) участках рабочего вещества. Наличие таких пассивных областей из-за неудачной конструкции ухудшает рабочие характеристики рубинового лазера, в первую очередь снижая энергию и мощность излучения, а также влияет на динамику его излучения (зависимость мощности от времени, характер самопроизвольных пульсаций излучения и т.п.). Типовой режим работы лазера на рубине - импульсный. Так как время жизни верхнего лазерного уровня порядка миллисекунды, то имеет смысл использовать световые импульсы накачки длительностью от сотен микросекунд до единиц миллисекунд. Для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы с ксеноном или криптоном (100 Торр), дающие практически белый свет с существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы хрома имеют сильные полосы поглощения.


Slide 6

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Осциллограммы импульсов рубинового лазера. а)- в режиме свободной генерации, б), в) – в режимах сглаживания г) – в квазистационарном режиме. а) б) в) г)


Slide 7

Твердотельные Nd3+:YAG-лазеры Упрощенная схема энергетических уровней кристалла Nd:YAG ( обозначения уровней получены из теоретико-группового анализа состояний ионов в кристалле), область накачки – 0.5-0.8 мкм


Slide 8

Типы осветителей твердотельных лазеров с ламповой накачкой Схема осветителя с эллиптическим отражателем и одной лампой накачки. Схема осветителя с эллиптическим отражателем и двумя лампами накачки.


Slide 9

Твердотельные лазеры с ламповой накачкой Структурная схема твердотельного лазера с ламповой накачкой с цилиндрическим осветителем а)-излучатель показан в продольном разрезе. б) - поперечный разрез излучателя лазера


Slide 10

Твердотельные Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой 1 — заднее зеркало, 2 — лампа накачки, 3 — кристалл Nd:YAG, 4 — отражатель, 5 — заслонка, 6 — выходное зеркало, 7 — модулятор света, 8 — фокусирующая оптическая система Распределение по поперечному сечению активного элемента люминесценции усиливаемого излучения.


Slide 11

Твердотельные Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой 1- заднее зеркало, 2 - лазерные диоды оптической накачки, 3 - кристалл Nd:YAG, 4 - корпус, 5 - заслонка, 6 - выходное зеркало, 7 - модулятор света, 8 - фокусирующая оптическая система


Slide 12

Твердотельные Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой Конструкция квантрона (вид сбоку) Основные характеристики: • кол-во линеек – 18 • режим накачки – CW и QCW • мощность накачки – 1,08 кВт • выходная мощность – 300 Вт Линейка лазерных диодов


Slide 13

Твердотельные Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой Распределение по поперечному сечению активного элемента люминесценции усиливаемого излучения. Использование в конструкции диффузного отражателя обеспечивает высокооднородное возбуждение активной среды, что в свою очередь позволяет получить выходное излучение высокого качества.


Slide 14

Волоконные лазеры Оптическая система с волоконным лазером: 1 — сердцевина, легированная металлом, диаметр 6–8 мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное покрытие; 5 — лазерные диоды оптической накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор света; 10 — фокусирующая оптическая система


Slide 15

Волоконные лазеры


Slide 16

Волоконные лазеры


Slide 17

Волоконные лазеры


Slide 18

Волоконные лазеры


Slide 19

Волоконные лазеры Форма пучка разных лазерных источников: а — волоконные лазеры, одномодовый режим; б — Nd:YAG-лазеры, многомодовый режим; в — излучение лазерных диодов


Slide 20

Волоконные лазеры


Slide 21

Волоконные лазеры Установка для резки крупногабаритных металлических листов на основе волоконного лазера


×

HTML:





Ссылка: