Nd:YAG-лазер

На рис. 1 представлена упрощенная схема энергетических уровней Nd :YAG. Эти уровни обусловлены переходами трех 4f электронов внутренней оболочки иона Nd3+. Поскольку эти электроны экранируются восемью внешними электронами (5s2 и 5р6), на упомянутые энергетические уровни кристаллическое поле влияет лишь в незначительной степени. Поэтому спектральные линии, соответствующие рассматриваемым переходам, относительно узки. Уровни энергии обозначаются в соответствии с приближением связи Рассела— Сандерса атомной физики, а символ, характеризующий каждый уровень, имеет вид 2s+1LJ, где S —суммарное спиновое квантовое число, J— суммарное квантовое число углового момента, а L — орбитальное квантовое число. Заметим, что разрешенные значения L, а именно L = О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ., обозначаются прописными буквами соответственно S, Р, D, F, G, Н, I, . .

Рис. 1. Упрощенная схема энергетических уровней кристалла Nd : YAG.

Таким образом, основное состояние 4I9/2 иона Nd3+ соответствует состоянию, при котором 2S+ 1=4 (т. е. S = 3/2), L = 6 и J = L —5 = 9/2. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм соответственно, хотя другие более высоко лежащие полосы поглощения также играют важную роль. Эти полосы связаны быстрой (~ 10-7 с) безызлучательной релаксацией с уровнем 4Fз/2, откуда идет релаксация на нижние уровни (а именно 4I9/2, 4I11/2 и 4I13/2); этот последний уровень не показан на рис.1. Однако скорость релаксации намного меньше (т = 0,23 мс), поскольку переход запрещен в приближении электродипольного взаимодействия (правило отбора для электродипольно разрешенных переходов имеет вид ΔJ=0 или ±1) и поскольку безызлучательная релаксация идет медленно вследствие большого энергетического зазора между уровнем 4F3/2 и ближайшим к нему нижним уровнем. Это означает, что уровень 4F3/2 запасет большую долю энергии накачки и поэтому хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Оказывается, что из различных возможных переходов с уровня 4F3/2 на нижележащие уровни наиболее интенсивным является переход 4F3/2 à I11/2 Кроме того, уровень 4I11/2 связан быстрой (порядка наносекунд) безызлучательной релаксацией в основное состояние, а разница между энергиями уровней 4I11/2 и 4I9/2 почти на порядок величины больше, чем кТ. Отсюда следует, что тепловое равновесие между этими двумя уровнями устанавливается очень быстро и согласно статистике Больцмана уровень 4I11/2 в хорошем приближении можно считать практически пустым. Таким образом, этот уровень может быть прекрасным кандидатом на роль нижнего лазерного уровня.

Из сказанного выше ясно, что в кристалле Nd : YAG переход 4F3/2 à 4I11/2 хорошо подходит для получения лазерной генерации в четырехуровневой схеме. В действительности необходимо принимать во внимание следующее; Уровень 4F3/2 расщеплен электрическим полем внутри кристалла (эффект Штарка) на два сильно связанных подуровня (R1 и R2), разделенных энергетическим зазором ΔЕ = 88 см-1. Уровень 4I11/2 также расщеплен вследствие эффекта Штарка на шесть подуровней. Оказывается, что лазерная генерация обычно происходит с подуровня R2 уровня 4F3/2 на определенный подуровень уровня 4I11/2, поскольку этот переход обладает наибольшим значением сечения перехода (σ = 8,8-10-19 см2). Этот переход имеет длину волны λ= 1,064 мкм (ближний ИК. диапазон). Однако необходимо напомнить, что, поскольку подуровни R1 и R2 сильно связаны, при всех вычислениях используют эффективное сечение σ21= 3,5*10-19 см2 . Следует также заметить, что, используя в резонаторе лазера подходящую дисперсионную систему генерацию можно получить на многих других длинах волн, соответствующих различным переходам: 4F3/2 à I11/2 ( λ= 1,05—1,1 мкм), 4F3/2 à I13/2 (λ = 1,3 9 мкм— наиболее интенсивная линия в этом случае) и переходу 4F3/2 à I11/2 (λ около 0,95 мкм). Кроме того, стоит вспомнить, что лазерный переход с λ= 1,06 мкм при комнатной температуре однородно уширен вследствие взаимодействия с фононами решетки. Соответствующая ширина Δν = 6,5 см-1 = 195 ГГц при температуре T = 300 К. Это делает Nd: YAG очень подходящим для генерации в режиме синхронизации мод. Большое время жизни верхнего лазерного уровня (t = 0,23 мс) позволяет Nd : YAG быть весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности. Nd : YAG лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В обоих случаях обычно используются линейные лампы в схемах с одноэллипсным осветителем, с близким расположением лампы и кристалла или с многоэллипсным осветителем. Для работы в импульсном и непрерывном режимах применяются соответственно ксеноновые лампы среднего давления (500— 1500 мм рт. ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4— 6 атм). Размеры стержней обычно такие же, как и у рубинового лазера. Выходные параметры Nd:YAG-лазера оказываются следующими: в непрерывном многомодовом режиме выходная мощность до 200 Вт; в импульсном лазере с большой скоростью повторения импульсов (50 Гц) средняя выходная мощность порядка 500 Вт; в режиме модулированной добротности максимальная выходная мощность до 50 МВт; в режиме синхронизации мод длительность импульса до 20 пс. Как в импульсном, так и в непрерывном режиме дифференциальный КПД составляет около 1—3%.