Анализ активной среды лазерного генератора

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового Красного Знамени

государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Кафедра МТ-12

 

 

 

Курсовая работа

 по дисциплине

Физика технологических лазеров

 

 

Студент:  Баканова Д.В. 
Группа: МТ12-81

 

Преподаватель: Голубенко Ю. В. 
Подпись преподавателя:_____________

 

 

 

 

Москва, 2014 г.

Содержание

 

Анализ активной среды лазерного генератора................................................3

 

Расчет Ho:YAG-лазера.....................................................................................11

 

Выводы по работе.............................................................................................15

 

Список использованной литературы..............................................................16

 

Анализ активной среды лазерного генератора

Свойства активной среды. Схема физических процессов.

Одними из наиболее распространенных лазерных систем двухмикронного диапазона являются системы на кристаллах Ho:YAG.

Активной средой гольмиего лазера является стержень из алюмоиттриевого граната, легированного ионами Ho+3. Ион Ho3+ , как и другие ионы редкоземельных металлов, может быть употреблен для возбуждения лазерного излучения в инфракрасной области (длины волн = 2.05, 2.07 и 2.1 мкм).  
 Некоторые свойства ионов редких земель приведены в табл. 1. Оптические переходы происходят на внутренних оболочках. Внешние 5s и 6р оболочки экранируют оболочку 4/ от воздействия внешнего кристаллического поля, и положение энергетических уровней этих ионов практически  не зависит от кристаллического поля. Поэтому длина волны излучения редкоземельного

Таблица 1. Свойства ионов редких земель

 иона является характеристикой иона и почти не зависит от вида кристалла, в котором находится редкоземельный ион. Некоторые характеристики этих ионов, в частности спектральный диапазон их излучения, приведены в табл.1, а схемы энергетических уровней на рис. 1.

 Уровни энергии трехвалентных ионов редких земель.

5I7 (Ho3+) → 5I8 (Ho3+) + hν2100нм -

уравнение, описывающее излучательный переход в активном элементе Ho:YAG

Лазера.

Рис. 1.  Энергетическая схема уровней ионов гольмия.

Обычно кристалл легирован не только ионами Ho. Ионы  Tm+3 вместе и ионами Ho+3 замещают ионы Y+3 в решетке. Обычная концентрация ионов Tm достаточно велика (4-10 атом.%, тогда как концентрация гольмия на порядок меньше). В случае использования импульсной лампы накачки активная среда дополнительно сенсибилизируется ионами Сr+3, которые замещают Al+3 в кристалле YAG. Здесь энергия накачки поглощается в основном через переходы 4А2 → 4T2 и 4А2->4T1 ионов Cr+3, и далее она эффективно переносится на уровень 3F4 иона Tm+3 за счет ферстеровского ионного взаимодействия. При непрерывной диодной накачке уровень 3F4 иона Tm+3 напрямую возбуждается излучением полупроводникового AlGaAs лазера (длина волны 785 нм), и в этом случае отпадает необходимость в дополнительном легировании кристалла Cr+3. Как в случае накачки импульсной лампой, так и в случае накачки лазерным диодом, возбужденный уровень 3F4 иона Tm+3, далее претерпевает процесс кросс-релаксации между соседними ионами по схеме Tm(3F4)+Tm(3H6)+2Tm(3H4). Данный процесс переводит оба иона Tm (возбужденный ион, находящийся в состоянии 3F4, и ион, находящийся в состоянии 3H6) в возбужденное состоянии 3Н4. Для той высокой концентрации ионов Tm, которая здесь используется, процесс кросс-релаксации приобретает над процессом излучательной релаксации с уровня 3F4, и это приводит к тому, что полная квантовая эффективность накачки составляет приблизительно 2 (т. е. 200%). Быстрый перенос энергии между ионами Tm(вновь благодаря ферстеровскому взаимодействию) имеет место до тех пор, пока уровень возбужденного состояния иона Tm+3 не станет очень близким  уровню иона Но. В этом случае энергия переносится на уровень5I7 иона Но, после чего на переходе 5I7-5I8 происходит лазерная генерация. Фактически, лазерная генерация возникает между низшим подуровнем полосы 5I7 и подуровнем полосы 5I8, отстоящим от основного на величину около 462 см-1. Без легирования ионами Но кристалл можете генерировать излучение на переходе 3Н4->3Н6 атома Tm, с длиной волны 2,02 мкм. Основные уровни энергии Tm:Ho:Cr:YAG лазера представлены на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Соответствующая схема энергетических уровней материала Cr:Tm:Ho:YAG.

 

Для накачки может быть использован источник с длиной волны излучения 1,15 мкм. Поскольку иттербиевые волоконные лазеры могут излучать вплоть до 1,18 мкм, то их использование в качестве источника накачки для Ho:YAG лазера является естественным и целесообразным. Накачка также может производиться лазером Tm:YAG, могут применяться в качестве источников когерентной накачки и диоды. В качестве некогеретного источника применяются ксеноновые лампы (табл. 2).

 

 

 

 

 Таблица 2. Источники накачки для основных эффективных лазеров на кристаллах.

Из рис. 3 видно, что максимальный КПД лазера достигается при длине волны излучения приблизительно равной 2,1 мкм и составляет около 30%. Работы зарубежных групп показывают возможность получения генерации Ho:YAG лазера со средней мощностью несколько десятков Вт при эффективности

Рис. 3. Спектральная эффективность генерации гольмиевых лазеров.

преобразования излучения накачки до 65%.

Лазерные активные элементы Ho:YAG (Рис. 4) как правило выращиваются методом Чохральского (кристалл выращивается путем вытягивания вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с

 

Рис. 4. Внешний вид типичного кристалла Ho:YAG.

инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава) с атомной концентрацией ионов Но+3, равной 3%, вырезаются в  виде цилиндра с торцами, просветленными на длины волн накачки и генерации. Также нелегированная часть обеспечивает невысокий температурный градиент в местах закрепления элемента, что уменьшает температурные напряжения.

Гольмиевые лазеры характеризируются высокой частой импульсов и достаточно невысокой энергией, которую можно модулировать в широких пределах. Благодаря этому можно получать точечные локальные источники излучения для тонких манипуляций.

Рис. 5. Спектры генерации Но:YAG-лазера в отсутствие селективных элементов в непрерывном режиме(1) и в режиме модуляции добротности (2) при выходной мощности 14 Вт

Гольмиевый лазер работает в импульсном режиме в диапазоне 3-6 миллисекунд.

Одной из особенностей является то, что кварцевое стекло прозрачное на той длине волны, на которой излучает гольмиевый лазер. Это свойство позволяет использовать кварцевое волокно с целью доставки излучения данного лазера к объекту, на который воздействует лазер. Зависимость между входной и выходной мощностями Но:YAG лазера подчиняется линейному закону (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость выходной мощности генерации на длине волны 2.05 мкм от поглощенной мощности накачки.

Физические и термодинамические характеристики гольмиевого кристалла

отображены в табл.3

Таблица 3. Свойства Ho:YAG кристалла.

 На мировом рынке представлено порядка 12-15 моделей Ho:YAG лазеров малой мощности (до 30 Вт), 2-3 модели средней мощности (50-60 Вт) и 2-3 модели высокой мощности (80-115 Вт). В настоящее время для развития сектора лазерной хирургии есть потребность в Ho:YAG лазере мощностью 150 Вт.

Данный лазер используют для проведения работ в хирургии, зубоврачебной практике, зондировании атмосферы.

Производством гольмиевых лазеров занимаются фирмы Triple, Lumenis, (США) , ЗАО "Медицинские оптические технологии"(Россия), Won Technology Co (Корея) и др.

 

Расчет Ho:YAG лазера

Данные для расчета

Постоянная Больцмана:

Скорость света:

Постоянная Планка:

Выбираем длину цилиндрического активного элемента  ([1],стр. 447) :              

Расчеты будем проводить при температуре:

Длина волны перехода:

Длина волны поглощаемого спектра:

Частота излучения:

Эффективное сечение перехода:

Число ионов гольмия для текущей концентрации:

Населенность 2 уровня

Населенность 1 уровня

Концентрация ионов активатора

Время жизни верхнего уровня 5I7:

Время жизни нижнего уровня 5I8:

Ширина полосы люминесценции:

Концентрация гольмия:

Для расчетров выберем мощность накачки:

Расчет

Расчет параметров излучения непосредственно зависящих от габаритов резонатора:

Длина резонатора:

Примем симметричный резонатор:

Радиусы зеркал:

Для зеркал параметры резонатора:

[1], 199 стр., (5.4.10а,б)

Радиус пучка в перетяжке:

 [1], 203 c., (5.5.9)

Расстояние от перетяжки до левого зеркала:

  [2], 108 c., (3.35)

Радиус пучка на зеркалах: [1], 204 c., (5.5.8а,б)

Угол расходимости : [2], 111 c.

Усредненная по активной среде площадь поперечного сечения пучка:

 [6], 47 c., (3.5)

 

Тогда как площадь поперечного сечения активной среды:

Коэффициент заполнения активного элемента:

Расчет коэффициентов:

Коэффициент усиления: [2], 148 c., (3.76)

Коэффициент, определяющий распределенные потери за счет поглощения и рассеяния в активной среде: [2], 148 c.

Коэффициент преобразования поглощенного излучения в лазерное:

[2], 166 c., (3.115)

При использовании в качестве источника накачки газоразрядные лампы и лучших эпилептических отражателей коэффициент:

[2], 167 c.

Расчет параметров, определяющих процесс генерации:

Средняя скорость накачки:

Объем активной среды, участвующей в генерации:

[1],318 c.

Пороговая инверсная заселенность: [2], 157 c., (3.99)

Критическая мощность: [2], 154 c., (3.95)

Мощность потерь: [2], 156 c., (3.98а)

Пороговая мощность накачки: [2], 154 c., (3.96)

Отношение мощности генерации к пороговой:

[2], 166 c., (3.114)

Генерируемая мощность: [2], 166 c., (3.115a)

КПД лазера: [2], 167 c., (3.116)

Интервалы между соседними частотами резонатора :

  [2], 147 c., (3.74)

Ширина однородного уширения спектральной линии:

[2], 215 c., (4.45)

Интенсивность насыщения :

[1], 85с.,(2.8.8)

Максимальная интенсивность на выходе генератора:

[2], 217 c.

Максимальная мощность данного лазера: [1],28 c.

При накачке:

Выделяемая мощность нагрева будет равна:

 

Выводы по работе

Для Ho:YAG лазера получен КПД ηл=5,41%, что говорит о высшем КПД, чем у традиционного неодимового лазера более чем в 2 раза. Этот результат также подтверждается и в литературе. Получена сравнительно небольшая выходная мощность Pmax=28,06 Вт. Однако, во-первых, лазерные установки с таким уровнем выходной мощности — одни из наиболее часто разрабатываемых для применения в медицине, во-вторых, существуют способы повышения мощности — вместо применения некогерентной накачки ксеноновыми лампами возможно применять накачку диодами или лазерами с длиной волны излучения в диапазоне 1080-1180 нм. Также можно для увеличения эффективности и выходной мощности  поменять схему, уменьшить дифрацкионные и другие потери, увеличить объем активной среды, участвующей в генерации. Однако, следует учесть эффект тепловой линзы, который в свою очередь может вызвать в активном элементе напряжения и как следствие разрушение стержня, вызванные тепловым расширением из-за низкой теплопроводности. Предпочтительнее повышать эффективность изменяя метод накачки.

 

Список использованной литературы

1. О. Звелто «Принципы лазеров»,2008 г.
2. Г. М. Зверев, Ю. Д. Голяев «Лазеры на кристаллах», 1994 г.
3. Е.И. Поздняков, В. А. Воробьев. "Синтез и изучение люминесцентных и кинетических свойств твердых растворов (y0,85–xyb0,1er0,05hox)3al5o12 ". 2013 г.
4. А.В. Беликов, А.Е. Пушкарёва, А.В. Скрипник. "Теоретические и экспериментальные основы лазерной абляции биоматериалов". 2011 г.
5. A. S. Merseburger, T. R. Herrmann, E. Liatsikos, U. Nagele, O. Traxer. “Lasers and laser technologies”. 2011 г.
6. Н. В. Кулешов, А. С. Ясюкевич. «Активные среды твердотельных лазеров». 2010.
7. А. С. Курков, Е. М. Шолохов, А. В. Маракулин, Л. А. Минашина. "Влияние концентрации активных ионов на эффективность генерации гольмиевых волоконных лазеров". 2010 г.
8. Ю. М. Смирнов. «Возбуждение атома гольмия электронным ударом». 2000 г.
9. Н. Г. Захаров, О. Л. Антипов, В. В. Шарков, А. П. Савикин. «Эффективная генерация на длине волны 2,1 мкм в лазере на кристалле Ho: YAG с накачкой излучением Tm:YLF-лазера». 2010 г.
10. Н. Г. Захаров. «Высокоэффективные лазеры двухмикронного диапазона на основе кристаллов Tm:YLF и Ho: YAG с диодно-лазерной накачкой».  2010 г.