Материалы твердотельных лазеров

Национальный Исследовательский Технологический Университет

" Московский Институт Стали и Сплавов"

Курсовая работа

по предмету «Материалы и элементы электронной техники»

На тему: «Материалы твердотельных лазеров»

Выполнила Студентка гр. П4−08−2

Каханова К.А.

Проверил Крутогин Д.Г.

Москва, 2010 год

Введение

Твердотельные лазеры Устройство простейшего твердотельного лазера Характеристики кристаллов, используемых для генерации лазерного излучения

1. Поглощение и усиление света

2. Пороговые условия для усиления света

3. Энергетические характеристики и КПД лазера

4. Ионы-активаторы

5. Требования, предъявляемые кристаллам Активная среда твердотельных лазеров

1. Рубин

2. Активированные стекла

3. Гранаты

4. Вольфраматы и молибдаты

5. Волоконные лазеры

6. Применение ТТЛ Список литературы

Развитие лазерной техники во многом определяется возможностями тех материалов, на основе которых создаются квантовые генераторы и системы управления оптическим лучом. Одной из важнейших групп таких материалов являются диэлектрические кристаллы. За почти 40 лет развития квантовой оптики в качестве сред для генерации и управления характеристиками оптического излучения были опробованы сотни кристаллов. Однако лишь немногие из них нашли практическое применение.

Твердотельные лазеры (ТТЛ)

Твердотельные лазеры — это лазеры, активный элемент которых выполнен из диэлектрика, находящегося при нормальных условиях в твердом состоянии. Полупроводниковые лазеры обычно выносят в отдельную группу — это лазеры с полупроводниковым активным элементом.

Устройство простейшего твердотельного лазера

В зависимости от типа и назначения, ТТЛ могут иметь различную конструкцию. На рис. 1 приводится простейшая схема излучателя, включающая обязательные элементы ТТЛ.

Рис. 1. Оптическая схема излучателя простейшего твердотельного лазера: 1-излучатель; 2-глухое зеркало; 3-квантрон; 4-выходное зеркало.

Характеристики кристаллов, используемых для генерации лазерного излучения

1. Поглощение и усиление света

Характеристики ионных кристаллов и кристаллических элементов, используемых для создания квантовых генераторов определяются оптическими свойствами кристаллов и особенностями генерации света. Для того чтобы ввести некоторые наиболее важные характеристики, следует рассмотреть распространение света в среде с учетом взаимодействия фотонов и квантовых осцилляторов.

Пусть в среде (активной среде, или рабочем теле) содержатся квантовые осцилляторы, которые могут находиться на энергетических уровнях Е₁ и Е₂. Переход между этими уровнями сопровождается излучением или поглощением кванта света hv=E₁E₂.

При равновесии каждая часть объема излучает и поглощает в единицу времени одинаковое число фотонов.

При плотности потока мощности 1мВт/см² в видимой области спектра, B₁₂=10^-6A₂₁, т. е. даже при малых плотностях мощности излучения вынужденное излучение значительно сильнее спонтанного.

2. Пороговые условия для усиления света

Для того, что бы среда не поглощала, а усиливала свет, необходимо вывести систему из состояния равновесия и достигнуть инверсной населенности N₂>=N₁.

Условие N₂=N₁ является пороговым условием перехода от поглощения к усилению без учета потерь.

При возбуждении (накачке) системы, имеющей всего два уровня энергии Е₁ и Е₂, с помощью возбуждения системы квантом hv = E₂ - E₁, инверсную расселенность получить невозможно из-за равенства скоростей возбуждения и высвечивания. Для получения инверсной населенности система должна иметь по крайней мере еще один (третий) уровень.

Пороговые условия в импульсном режиме

Трехуровневая система. В трехуровневой системе (рис.2) накачка переводит активаторы на уровень 3, с которого они спонтанно, безизлучательно переходят на метастабильный уровень 2. Для эффективного накопления активаторов на уровне 2 время жизни на этом уровне должно быть достаточно большим, т. е. этот уровень может быть назван «метастабильным» с населенностью n_м. В дальнейшем уровень 1 обозначим как «основной» с населенностью n₀. Импульсный режим достигается в том случае, если скважность между импульсами накачки так велика, что за это время успевает проходить опустошение метастабильного уровня (высвечивание).

Рис. 2. Схемы основных переходов в трех- (а) и четырехуровневой (б) схемах оптического квантового генератора. Двойные стрелки — излучательные переходы, одинарные стрелки — безызлучательные переходы (W_н — скорость накачки; I — лазерное излучение) Для перевода столь значительного количества активаторов (более чем половина их общей концентрации) в возбужденное, а затем в метастабильное состояние нужно, чтобы время жизни на метастабильном уровне было достаточно большим. В противном случае потребуются слишком большие энергии накачки. Это существенно ограничивает число ионов, которые имеют трехуровневую схему и практически могут использоваться для создания активных сред. Эта трудность устраняется в четырехуровневой схеме.

Четырехуровневая схема. Ограничение, связанное с требованием большого времени жизни, частично снимается для активаторов, имеющих четыре энергетический уровня (рис.3). В этой схеме возбуждение активатора происходит со стабильного уровня 1 на уровень 4 и накопление на метастабильном уровне 3. Излучательный переход происходит не на стабильный уровень, а на промежуточный 2, отстоящий от стабильного на расстроянии нескольких kT и, следовательно, имеющий значительно меньшую заселенность. Поэтому в четырехуровневой схеме инверсная заселенность может быть достигнута при n_м<<N/2.

Пороговые условия в непрерывном режиме.

При непрерывной накачке распределение активаторов по уровням становится стационарным. Найти заселенность уровней можно, решая систему кинетический уровней для стационарный условий. Изменение заселенности уровней происходит спонтанно и вынуждено под действием излучения накачки и самого активатора. Если скорости переходов с уровня накачки на метастабильный уровень и с промежуточного на основной достаточно велики, величинами n_н и n_п можно пренебречь и считать, что активаторы находятся главным образом на основном и метастабильным уровнях (N = n₀ + n_м).

Разность населенностей для четырехуровневого лазера можно определить, учитывая что вблизи порога заселенность n_п близка к равновесной.

3. Энергетические характеристики и КПД лазера

Выходными энергетическими характеристиками для импульсного лазера является энергия импульса, а для непрерывного — мощность. При достижении пороговой населенности выходная энергия все еще равна нулю. Величина энергии выхода определяется превышением заселенности метастабильного уровня над пороговым.

Коэффициент полезного действия лазера можно определить как отношение энергии выхода к энергии накачки. Практически нужно определять КПД, рассматривая энергию накачки как энергию, потребляемую лазером на электрическом входе. В этом случае в КПД следует включить коэффициенты, являющиеся КПД промежуточных систем, в частности b — коэффициент преобразования электрической энергии в лучистую энергию при оптической накачке; КПД оптической системы, зависящий от конструкции оптической системы; коэффициент использования излучения лампы накачки в спектральной области поглощения активной среды.

4. Ионы-активаторы

В лазерах, рабочим которых служат ионные кристаллы, активаторами, обеспечивающими необходимую систему уровней, являются либо специально вводимые в кристалл примеси, либо собственные ионы. Часто это ионы, вводимые в кристалл в виде примесей, реже — ионы, входящие в химическую формулу данного кристалла или собственные точечные дефекты.

5. Требования, предъявляемые кристаллам

Требования, предъявляемые к кристаллам, которые используются как активные лазерные среды, вытекают из условий работы этих кристаллов и особенностей технологии изготовления лазерных элементов.

1. Лазерный кристалл должен содержать ионы-активаторы, обладающие необходимой для генерации света системой энергетический уровней. Ионы-активаторы могут входить в кристалл в качестве основных компонентов, как, например, в кристаллах (Y, Er)₃Al₅O₁₂, KNdP₄O₁₂ и NdAl₃[BO₃]₄, или в качестве ионов замещения

2. Естественным является требование прозрачности кристаллической матрицы в области длин волн накачки и излучения лазера. В противном случае КПД лазера будет снижен из-за поглощения полезно излучения самой кристаллической матрицей.

3. Высокая механическая прочность кристалла снижает вероятность его растрескивания под воздействием механических напряжений, которые могут возникать не только из-за термической неоднородности, но и из-за чисто механических причин при установке лазерного элемента в квантрон. Механические свойства кристалла важны и при механической обработке. Известно, что при твердом материале легче обеспечить высокий класс механической обработки.

4. Лазерный кристалл в квантроне конструкционно сопрягается с другими материалами. При таком сопряжении в условиях меняющейся температуры следует учитывать коэффициенты термического расширения и лазерных, и конструкционных материалов.

5. Последним по порядку, но не по важности является требование достаточной технологичности кристалла. В термин «технологичность» входит очень широкий круг свойств и особенностей, позволяющих получать кристалл с требуемыми качествами и приемлемыми экономическими характеристиками при современном уровне технологии.

Возможность практического применения кристалла определяется сочетанием вышеназванных свойств. Для того или иного специального применения приходится отступать от некоторых требований. Например, щелочно-галоидные кристаллы обладают весьма низкими механическими характеристиками, но уникальные свойства их центров окраски делают их перспективными для создания лазеров с перестраиваемой частотой и фотохромных модуляторов света.

Активная среда твердотельных лазеров

1. Рубин

Впервые лазерное излучение было получено с помощью кристалла — [Al₂O₃:Cr³⁺]. Он оказался родоначальником семейства кристаллов, которые до сих пор остаются важнейшими кристаллическими лазерными матрицами, несмотря на то, что генерация света получена уже на сотнях кристаллов.

Рубин — один из первых кристаллов, для которого удалось наладить промышленное производство. Впервые мельчайшие кристаллы рубина были получена в 1837 г. Годеном в результате прокаливания смеси сульфида калия с глиноземом в покрытом сажей тигле.

Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома. В природе Al₂O₃ встречается как в виде чистых, прозрачных кристаллов, называемых альфа-корундом, так и окрашенных благодаря наличию в них примесей.

В лазерной технике обычно используется бледно-розовый рубин с содержанием хрома около 0,05%, что соответствует 1,6*10¹⁹ ионов Cr³⁺ в 1 см³.

Кристаллы рубина обладают высокой химической стойкостью, слабо растворимы в воде, очень слабо растворяются в кипящей азотной или ортофосфорной кислотах.

Рис. 2. Кристаллическая структура рубина: а — структура Al2O3; б — строение элементарной ячейки кристалла рубина.

Коэффициент теплопроводности корунда очень высок, и в его зависимости от температуры наблюдается максимум в области Т=40К. При температуре жидкого азота коэффициент теплопроводности альфа-корунда превышает даже теплопроводность меди.

Поскольку кристалл рубина анизотропен, то его показатель преломления зависит от поляризации излучения.

Наиболее часто кристаллы рубина выращивают методом Вернейля и по методу Чохральского. Для улучшения оптических качеств кристаллов применяют глубокий диффузионный отжиг до 1900 ^оС в течение 24 ч и боле. Однако существующая технология не обеспечивает получения кристаллов с высокой оптической однородностью и равномерным распределением хрома в поперечном сечении образца.

Кристаллы рубина сравнительно стойки к воздействию мощного излучения. Под действием лазерного излучения большой мощности, в первую очередь, разрушаются торцевые поверхности. Плотность пороговой мощности поверхностного разрушения рубина зависит от длительности импульса, от дефектов и структуры торцевой поверхности. В диапазоне коротких импульсов (t_имп<10^-5 с) пороговая мощность поверхностного разрушения пропорциональна длительности импульса. Для длинных импульсов пороговая мощность не зависит от t_имп и равна приблизительно 10⁴ Вт/мм².

Лазерные рубиновые элементы изготовляются обычно в виде стержней, продольная ось которых составляет с оптической осью кристалла угол 90 или 60^о. Излучение, генерируемое в таких образцах, линейно поляризовано с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости, в которой лежат оптическая ось кристалла и ось цилиндра. В образцах с нулевой ориентацией оптической оси излучение является неполяризованным, однако выращивание таких кристаллов связано с большими технологическими трудностями.

2. Активированные стекла

Наряду с кристаллами в лазерной технике широко используются активные среды на стеклянной основе с примесью различных редкоземельных элементов. К преимуществам стекол как лазерных активных материалов относятся:

1. Технологичность, простота изготовление образцов больших размеров заданной формы,

2. Дешевизна сырья и возможность массового производства изделий с заданными воспроизводимыми свойствами,

3. Высокая оптическая однородность образцов больших размеров,

4. Изотропность свойств и однородность состава,

5. Возможность введения активатора в необходимых концентрациях с равномерным его распределением по объему.

В то же время по сравнению с кристаллами стекла имеют недостатки, к которым относятся:

1. Низкая теплопроводность и высокий температурный коэффициент линейного расширения,

2. Ограниченная область прозрачности (0,33…2,5 мкм), которая при введении примесей может еще более сужаться.

3. Сравнительно слабая фотохимическая стойкость.

Сравнение свойств кристаллов и стекол показывает, что эти материалы дополняют друг друга и, следовательно, одинаково важны для лазерной техники.

Возможность получения оптически совершенных активных элементов больших размеров позволяет получать от стеклянных лазеров очень большие энергии выходного импульса (до нескольких тысяч Джоулей). Кроме того, из-за высокой оптической однородности активного материала КПД стеклянных генераторов может быть выше, чем у генераторов на кристаллах. В то же время недостатки стекол, в особенности низкая теплопроводность, ограничивают область их применения в основном генераторами с небольшой средней мощностью излучения, т. е. с малой частотой следования импульсов.

Стекла классифицируются по основе — стеклообразующему аниону — и по содержанию оксидов — модификаторов. Если основной составной частью стекла является кварц, то стекло называется силикатным; бура или борный ангидрид — боратным; стекла с большим содержанием PbO называют свинцовыми и т. д.

Наряду с силикатными стеклами в квантовой электронике большое значение имеют фосфатные стекла, позволяющие осуществлять эффективную сенсибилизацию. Применяются так же фторберриллатные текла, основу которых составляет BeF₂. Их отличие от других групп связано с тем, чт основу этих стекол составляют не кислородные, а фтористые соединения. Составы фторберриллатных стекол могут быть различными.

Технология получения лазерных стекол почти не отличается от обычной технологии получения высококачественного оптического стекла, однако требования к чистоте исходных материалов, к оптической однородности и совершенству стекол значительно повышены. Жесткие требования к чистоте исходных материалов связаны с тем, что наличие примесей, особенно тяжелых металлов, приводит к появлению нежелательного неактивного поглощения.

К недостаткам стекол относится их сравнительно слабая фотохимическая стойкость и невысокая термостойкость. Под действием излучения накачки в стекле протекают различные фотохимические процессы, приводящие к появлению дополнительного неактивного поглощения. В частности, под действием ультрафиолетового излучения происходит восстановление трехвалентного железа в двухвалентное, которое поглощает излучение в области 1,06 мкм. В результате, происходит старение стекла, активированного неодимом, заключающееся в постепенном сжижении его генерационных характеристик вплоть до исчезновения генерации. Уменьшить этот эффект возможно путем применения специальных стеклянных филтров или фильтрующих растворовЮ поглощающих часть спектра короче 0,4 мкм.

Малая теплопроводность и высокий температурный коэффициент линейного расширения приводят к появлению деформаций и напряжений в процессе работы, которые могут явиться причиной ухудшения параметров излучения и разрушения активного элемента. Наведенное двойное лучепреломление оказывает влияние на распределение интенсивности по сечению луча и может явиться причиной поляризации генерируемого излучения.

Влияние термических искажений существенно зависит от геометрии активного элемента. Термические искажения для плоскополяризованного излучения минимальны образцах прямоугольного сечения, так как при такой геометрии образца в нем возникают преимущественно линейные градиенты температуры.

В связи с этим в мощных усилителях и генераторах на стеклах целесообразно использовать активные тела прямоугольного сечения, где наведенное двойное лучепреломление сказывается меньше.

3. Гранаты

Применение гранатов в современной квантовой электронике существенно расширилось, что объясняется удачным сочетанием их механических, теплофизических и оптических свойств. Этот класс материалов представляет более 30 различных по составу кристаллических матриц, лазерные свойства которым придают два иона группы железа (Cr³⁺ и Ni²⁺) и шесть редкоземельных ионов (Nd³⁺; Dy³⁺; Ho³⁺; Er³⁺; Tm³⁺ и Yb³⁺).

Наибольшее значение как активный лазерный материал получил иттрийалюминиевый гранат Y₃Al₅O₁₂, легированный неодимом, который является основным материалом промышленных твердотельных лазеров, работающих в непрерывном режиме или в режиме с большой частотой повторения импульсов. Кристалл иттрийалюминиевого граната (ИАГ) оптически изотропен.

Рис. 3. Структура Y₃Al₅O₁₂

Монокристаллы ИАГ для лазеров могуть быть выращены из раствора в расплаве, методом Вернейля, гидротермальным методом и методом Чохральского. Большие кристаллы, длиной до 100 мм, вырашивают методом Чохральского в иридиевых тиглях при температуре 2000 ^оС.

Кристаллы ИАГ нерастворимы в кислотах H₂SO₄, HCl, HNO₃ и HF, но при температуре выше 250 ^оС растворяются в H₃PO₄. Нелегированные кристаллы ИАГ бесцветны. По твердости они лишь незначительно уступают корунду.

Нелегированные кристаллы ИАГ прозрачны в широкой области спектра от ультрафиолетовой области (0,2…0,3 мкм) до инфракрасной (прибл. 4 мкм).

К недостаткам ИАГ относится низкий коэффициент вхождения ионов Nd³⁺, что затрудняет получение кристаллов больших размеров с равномерным распределением активатора. Поэтому проводится интенсивный и весьма успешный поиск новых сред со структурой граната, обладающих такими же удачными сочетаниями физико-химических и спектрально-генерационных свойств, что и ИАГ, но лишенных присущих ему недостатков. Обнадеживающие результаты в этом направлении получены на галлиевых гранатах (ГГ), в частности, на редкоземельных галлиевых гранатах (РЗГГ) и на «смешанных гранатах» .

Редкоземельные галлиевые гранаты имеют удовлетворительные механические и теплофизические свойства. Кристаллы РЗГГ более технологичны, чем ИАГ: они имеют более низкие температуры плавления.

Показатели преломления РЗГГ сравнительно слабо отличаются между собой, несмотря на большое разнообразие в составах.

Кроме гранатов, активированных редкоземельными ионами, большое внимание в последнее время уделяется кристаллам РЗГГ с хромом. Это обусловлено двумя факторами: 1) реализацией донорных способностей Cr³⁺ ка к иона-сенсибилизатора и 2) возможностью получения перестраиваемой генерации на электронно-колебательных переходах хрома при комнатной температуре.

4. Вольфраматы и молибдаты

Типичным представителем этого класса соединений является вольрамат кальция (шеелит).

Шеелиты имеют сравнительно благоприятные физико-химические и технологические свойства. Они устойчивы на воздухе, почти нерастворимы в воде. Механическая прочность и термостойкость их несколько ниже, чем у рубина и иттрийалюминиевого граната. Вольфраматы и молибдаты характеризуются сравнительно высокой химической стойкостью. Их кислот на CaWO₄ действуют при нагревании соляная и фосфорная. Вольфрамат кальция растворяется в расплавах некоторых солей щелочных металлов.

Кристаллы шеелита и ему подобные выращивают методом Чохральского либо из расплавов солей. Кристаллы вольфрамата кальция, выращенные по методу Чохральского, вследствие возникающих в процессе роста напряжений, довольно хрупкие. Поэтому синтезированные кристаллы подвергают отжигу на воздухе при температуре 1250 ^оС с течение нескольких десятков часов. В качестве активаторов вводят редкоземельные элементы, которые замещают ионы Ca²⁺ .

твердотельный лазер кристалл импульсный Рис. 4. Кристаллическая решетка шеелита (CaWO₄)

5. Волоконные лазеры

В последние годы быстрое развитие получил новый вид ТТЛ — волоконные лазеры высокой мощности [8,59,84−94]. Активная среда этих лазеров представляет собой световод из стекла, допированного Yb (л=1080 нм) или Er+Yb (л=1565 нм). Диаметр световода o=20?50 мкм; он окружен двумя прозрачными (из стекла) оболочками — волноводом для излучения накачки, поступающего по всей внешней поверхности оболочки от диодных лазерных линеек через специально нанесенные структуры типа брэгговских решеток. Преимущества волоконных лазеров — высокое качество излучения из-за отсутствия линзового эффекта в активной среде при нагреве в процессе накачки; высокая (до 85%) энергетическая эффективность генерации; хороший теплосъем даже при воздушном охлаждении лазеров мультикиловаттного уровня мощности. Волоконные лазеры имеют высокую надежность и способность работать в любых условиях, в том числе в мобильных полевых системах, органически вписывающуюся волоконную доставку излучения к объекту воздействия, рекордно малые габариты, уникальный ресурс. По выходной мощности они приблизились к мощным СО₂-лазерам, а по полному кпд их превзошли. В волоконных лазерах автоматически решена проблема юстировки, оптический тракт не имеет воздушных промежутков, чувствительных к попаданию пыли и влаги. Волоконный лазер превосходит по параметрам и эксплуатационным свойствам аналоги на кристаллах.

6. Применение ТТЛ

Лазеры этого класса за последние годы получили сильный импульс развития благодаря успехам полупроводниковой технологии, позволившей создать надежные лазерные диоды высокой мощности для накачки ТТЛ.

Применения твердотельных лазеров чрезвычайно разнообразны. В технологии (сварка, резка и т. д.) используются ТТЛ на основе рубина, неодимового стекла и Y₃Al₅O₁₂ (Nd³⁺) с мощностью генерации от десятков Вт до нескольких кВт.

1. ТТЛ со стержневой геометрией активной среды мрад. ТТЛ с диодной накачкой достигли мощности 8 кВт при оптическом качестве 12−25 мм кпд мрад для ТТЛ с ламповой накачкой, что позволило применить для транспортировки излучения оптоволокно диаметром 300мкм. Они применяются в операциях резки и сварки трехмерных изделий из листовой стали (в режиме непрерывной генерации), резки алюминиевых сплавов, и в операциях очистки поверхности (в режиме модуляции добротности).мрад, в сравнении с 3% и 25 мм" от розетки" до 10% при качестве излучения 12 мм

2. ТТЛ с дисковой геометрией мрад. Они получили применение в операциях сварки и резки нержавеющей стали, с подачей излучения по оптоволокну (o 150 мкм), включая применение в робототехнических системах для чистовой сварки трехмерных изделий. активной среды [19,59,83] генерируют излучение мощностью до 4 кВт при кпд «от розетки» до 20% и качестве излучения 7−8 мм В медицине применяются главным образом ТТЛ на неодимовом стекле с энергией излучения 1000 Дж в режиме свободной генерации (терапия) и ТТЛ на Al₅O₁₂ (Nd³⁺) в непрерывном или периодическом режимах (хирургия). Этот же тип ТТЛ используется в оптической локации и связи. ТТЛ с частотой 10^-8 — 10^-12 с применяются в высокоскоростной фотографии, а одномодовые Т. л. в голографич. устройствах регистрации быстропротекающих процессов. Сверхмощные ТТЛ на стекле с Nd применяются для исследования термоядерной плазмы. Развитие методов формирования коротких и сверхкоротких импульсов привело к открытию нового класса оптических явлений, таких, как самофокусировка света, вынужденное рассеяние света, параметрическое преобразование частоты свет

1. А. А. Блистанов Кристаллы квантовой и нелинейной оптики

2. Справочник по электротехническим материалам

3. Справочное пособие по электротехнике и электронике

4. Электротехнические материалы

5. А. Валиулин, С. Горный, Ю. Гречко Научный журнал «Фотоника» вып. № 3 2007г.

6. В. Махнюк, А. Тер-Мартиросян Научный журнал «Фотоника» вып. № 7 2008г.

7. Мак А. А., Митькин В. М., Сомс Л. Н. и др. О термоптических постоянных активированных стекол. — «Оптико-механическая промышленность», 1971, № 9, с 42−45