Принцип работы твердотельного лазера с непрерывной ламповой накачкой

В твердотельных лазерах активные центры создают ионы примеси в кристаллической решетке твердого тела (стекла, керамики). В используемом в данной работе YAG-Nd³⁺лазере ионы неодима внедрены в кристалл иттрий алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂. Оптическая накачка YAG-Nd³⁺лазера осуществляется с помощью трубчатых дуговых ламп или линейками (матрицами) лазерных диодов в диапазоне 0,6 – 0,9 мкм. В нашем случае в качестве источника накачки используется дуговая лампа непрерывного действия, наполненная Kr, спектр излучения которой неплохо согласован с линиями поглощения ионов неодима, внедренными в матрицу иттрий алюминиевого граната. Спектр поглощения активной среды YAG-Nd³⁺лазера представлен на рис. 6 сплошной линией.

Рис. 6. Спектр поглощения кристалла YAG-Nd³⁺ при температуре 300 К.

Наиболее мощная полоса поглощения находится вблизи 808 нм. Именно на этой длине волны идет наиболее эффективная накачка данной активной среды диодными лазерами с длиной волны излучения равной 808 нм.

Современные методы позволяют выращивать и изготавливать достаточно большие активные элементы АИГ-Nd длиной до 120 мм и диаметром до 10 мм. Поскольку коэффициент преломления кристалла граната достаточно высок (n = 1,82), то френелевское отражение генерируемого света от его рабочих поверхностей оказывается достаточно большим (около 8,4% от одной поверхности). За счет этого в процессе генерации лазера большое отражение от двух поверхностей элемента (примерно, 16,8%) будет приводить к заметным потерям полезной излучаемой мощности лазера. Для предотвращения этого отрицательного явления рабочие поверхности активных элементов покрываются специальным просветляющим покрытием, снижающим коэффициент отражения от одной поверхности до 0,2%.

Создание инверсной населенности идет по четырех уровневой схеме (рис.7).

Рис. 7. Схема энергетических уровней иона неодима в кристаллической решетке иттрий алюминиевого граната, участвующих в процессах накачки и генерации.

Накачка происходит с основного уровня 1 на группу уровней накачки 4, которые являются короткоживущими из-за близкого расположения к ним уровня 3 (время жизни уровней накачки не превышает 10^-8 с). За счет процессов безизлучательной релаксации на фононах (колебаниях кристаллической решетки) возбужденные атомы Nd переходят на уровень 3, состоящий из двух подуровней, которые являются верхними лазерными уровнями в данной активной среде. Эти уровни являются метастабильными, так как ближайший к нему нижний уровень находится на расстоянии 4698 см^-1, а энергия фононов при комнатной температуре не превышает 200 см^-1. Поэтому время безизлучательных многофононных переходов очень велико (~10^-2 с) из-за малой вероятности таких переходов (вероятность одновременного столкновения многих частиц чрезвычайно мала!).

Время излучательного перехода на группу близко расположенных уровней 2 также оказалось достаточно большим (2,5 ^.10^-4 с), поэтому можно эффективно накапливать инверсную населенность между уровнями 3 и 2 за счет достаточно быстрой оптической накачки на переходе 1 à 4. Группа уровней 2 расположена достаточно близко к основному уровню 1 (~800 см^-1) и за счет быстрой безизлучательной релаксации ионы неодима, поучаствовавшие в процессе генерации, возвращаются на основной уровень 1 (время перехода 2à1 не превышает 10^-8 с). Далее цикл накачка 1à4, релаксация 4à3, генерация 3à2, релаксация 2à1повторяется.

3.2.Оптическая схема YAG-Nd³⁺ лазера и конструкция излучателя с ламповой накачкой.

Имеется две основных оптических схемы технологических твердотельных лазеров с одним и двумя излучателями (квантронами).

В технологии лазерной резки требуется высокая средняя мощность генерации, поэтому в этом случае используется двухквантронная оптическая схема. Стандартная оптическая схема такого лазера представлена на рис. 8.

Рис. 8. Оптическая схема двухквантронного твердотельного лазера с непрерывной ламповой накачкой.

1 – выходное зеркало, 2 – квантрон, 2.1 – активный элемент, 2.2 – Kr-лампа накачки (ДНП 6/90), 3 – «глухое» зеркало, ОО`- ось резонаора.

Квантрон 2 состоит из четырех основных элементов: корпуса, кварцевого отражателя, стержня из иттрий алюминиевого граната активированного ионами неодима и импульсной лампы накачки и представляет собой несущий корпус, выполняемый обычно из нержавеющей стали, внутри кото­рого находятся отражатель, активный элемент и лампа накачки. Отражатель изготавливают из монолитной заготовки легированно­го европием кварцевого стекла в форме эллиптического цилиндра. В отражателе параллельно оси просверлены два отверстия, внут­ри которых располагают активный элемент и лампу накачки. Внешний вид всех элементов излучателя представлен на рис. 9. Одно­ламповый квантрон с отражателем такой конструкции обеспечи­вает высокую эффективность накачки за счет фокусировки излучения накачки в центральную часть активного элемента.

а) б)

в) г)

Рис. 9. Основные элементы излучателя твердотельного лазера

а) корпус, б) отражатель, в) активный элемент, г) лампа накачки.

Из-за эффекта тепловой линзы [1] важной особенностью резонатора 2^х квантронного излучателя является правильная установка квантронов и выбор расстояния между зеркалами резонатора. Кроме того, при выборе схемы резонатора для многомодовых лазеров, опре­деляющим является возможность достижения максимальной выходной мощности при сохранении относительно небольшой рас­ходимости излучения. Этим условиям хорошо удовлетворяет симметричный резонатор, об­разованный плоскими зеркалами, расположенными на расстоянии 720 мм один от другого. При этом центры квантронов должны располагаться на расстоянии 180 мм от зеркал резонатора. Такой резонатор обеспечивает практически прямоли­нейную зависимость мощности излучения во всем рабочем диапа­зоне мощности накачки.

Описание составных частей ЛТК «Гранит-300»

а) Описание лазерной системы

Лазер ЛТН-103, входящий в состав ЛТК «Гранит-300», представляет собой твердотельный Nd³⁺-YAG лазер с квазинепрерывной накачкой, генерирующий непрерывное излучение мощностью 300 Вт. Этот лазер может применяться для резки металлических листов толщиной 1-2 мм.

Конструктивно лазер выполнен в виде излучателя, блока питания двух ламп накачки и устройства охлаждения. Блок питания и устройство охлаждения смонтированы в отдельную стойку.