Активный элемент рубинового ОКГ

Первым оптическим квантовым генератором был гене­ратор, в котором в качестве активного элемента исполь­зовался искусственный кристалл рубина. Рубино­вый ОКГ и в настоящее время является одним из наиболее распространенных.

Промышленностью выпуска­ются активные элементы из синтетического рубина, техни­ческие требования и размеры которых установлены стан­дартами: ОСТ 3-24—70 и ОСТ 3-25—70.

В соответствии с этими стандартами рубиновые элементы могут иметь конфигурацию, представленную в табл. 1.

Обозначение рубинового элемента состоит из указания типа (табл.1.) и его размеров, например РЛ1Б 10х120. Выпускаются рубины диаметром от 3,5 до 16 мм и длиной от 45 до 240 мм с ориентацией оптической оси в пределах от 60 до 90°. Боковая поверхность обрабатывается одним из следующих способов: шлифовкой в пределах 5—10 клас­сов чистоты, механической полировкой, при которой дости­гается чистота поверхности не ниже 12-го класса, а также химической или шероховатой полировкой. Диаметр актив­ного тела при механической полировке обрабатывается по скользящей посадке 4-го класса; при всех других видах обработки обеспечивается скользящая посадка 5 класса точности. Непараллельность торцов у элементов типа Р, РЛ, РЛ2Б не превышает 10".

Активные тела из рубина нашли широкое применение в лазерной технике благодаря тому, что рубин генерирует излучение в видимой области спектра, может работать при комнатной температуре, имеет высокую механическую прочность и порог разрушения. Однако кристаллы рубина обладают обычно значительной оптической неоднородно­стью. Источниками этой неоднородности являются дефекты кристаллической решетки (дислокации, блоки, плоскости скольжения, инородные включения, неравномерное распре­деление ионов хрома в образце). Наличие дефектов в кри­сталлах вызывает появление в них внутренних напряжений. Неравномерное распределение в объеме кристалла ионов трехвалентного хрома вызывает значительную неоднород­ность показателя преломления и появление деформации решетки, что вызывает аномальное двулучепреломление.

На угловую расходимость и деформацию волнового фрон­та наибольшее влияние оказывают механические напряже­ния и неравномерность концентрации хрома по сечению. Существующая в настоящее время технология выращива­ния рубинов не обеспечивает равномерное распределение хрома в поперечном сечении образца. Центральная часть образца имеет меньшую концентрацию хрома и, следова­тельно, меньший, чем на периферии образца, коэффициент преломления п. Кроме того, может иметь место скачкообразное изме­нение показателя преломления на границах некоторых участков кристалла. В результате роста в кристалле воз­никают и внутренние деформации. Все это приводит к то­му, что образец со взаимно параллельными торцами в оп­тическом отношении эквивалентен рассеивающей линзе. Плоская волна, проходя через активную среду, из-за ради­ального изменения показателя преломления, вызываемого деформациями и неоднородностью концентраций хрома, в значительной степени искажается. Это приводит к повы­шенной расходимости лазерного луча и неоднородному распределению энергии в нем. В результате исследований показано, в частности, что внутренние механические деформации образца оказывают наиболее сильное влияние на угловую расходимость луча, распреде­ление интенсивности излучения и селекцию мод. Распре­деление и величина напряжений в кристаллах определяют­ся измерением положений интерференционных полос в кар­тинах двойного лучепреломления, которые определяются изменением оптической длины пути для

обыкновенного и необыкновенного пучков зависимостью:

где n_о и n_е – показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного пучков; l_a – длина активного тела; m_и – порядок интерференции.

Величина напряжения x определяется следующей зави­симостью:

где В_ф — постоянная фотоупругости.

Величины напряжений, получаемые при использовании усредненного значения постоянной фотоупругости Вф=0,9*10^-7 см²/кг, равны: x=100 кг/см² для образцов низкого качества. Параметры внутренних напряжений в рубиновых стержнях являются удовлетворительным кри­терием при отборе образцов для одномодовой (ТЕМоо) генерации. Образцы высокого качества (x<30 кг/см²) обеспечивают генерацию одной поперечной моды в доста­точно широком диапазоне накачки.

Величина механических напряжений в рубине зависит от плотности дислокации и их расположения в объеме. Дислокации и их скопления образовываются не только в процессе роста, но и при механической обработке кристал­ла. Механические напряжения вызывают двойное луче­преломление, и кристалл рубина становится двуосным. Неоднородность напряжений в кристалле вызывает допол­нительное искажение сферической волновой поверхности.

Количественный и качественный характер дефектов доста­точно индивидуален и может заметно изменяться для разных образцов.

Одним из факторов, ограничивающих энергетические параметры лазера, является стойкость рубина к воздей­ствию мощного излучения, при определенных плотностях которого начинается разруше­ние торцов или объема ма­териала. Под действием ла­зерного излучения большой мощности в первую очередь разрушаются торцевые поверх­ности рубина. Разрушение торцевых поверхностей можно объяснить на основе механизма теплового разрушения при поглощении света на локальных поверхностных дефектах, например, микротрещинах, границах между блоками и т. п. В результате поглощения света поверхностными дефектами происходит их быстрое нагревание до температуры, при которой имеют место необратимые изменения (оплавление, трещины и т.п.). Порог поверхностного разрушения рубина зависит от длительности светового импульса, от дефектов и структуры поверхности торца.

Плотность пороговой мощности разрушения поверхно­сти для рубиновых образцов с монокристаллической струк­турой поверхности в несколько раз выше. чем для рубинов с аморфной структурой поверхности. Тщательно полиро­ванная поверхность имеет более высокую поверхностную стойкость. В диапазоне коротких импульсов пороговая мощность поверхностного разрушения Pпор – пропорциональна 1/t_имп, где t_имп – длительность импульса.

График, представленный на рис.1, показывает, что для длинных импульсов пороговая мощность не меняется и не зависит от t_имп. В области длинных импульсов пороговая величина поверхностного разрушения составляет примерно 10⁶ вт/см². Для коротких импульсов длительностью около 50 нс эта величина будет примерно равна 280 МВт/см².

Объемная прочность рубина значительно выше поверх­ностной и составляет величину 3 •10¹⁰ вт/см².

Работа рубинового ОКГ.

Рубин — кристаллический минерал, имеющий окраску от бледно-розовой до ярко-красной; структура рубина — кристаллическая решетка Al₂O₃ с внедренными в нее трехзарядными ионами хрома. Содёржание хрома обычно колеблется в пределах от 0,05 до 0,5%. Цвет кристалла определяется содержанием хрома — чем больше хрома, тем более красный оттенок имеет рубин.

К кристаллам рубина, используемым в технике ОКГ, предъявляются очень жесткие требования по размерам и оптической однородности, поэтому технология выращи­вания кристаллов рубина для ОКГ претерпела существен­ное совершенствование.

В рубиновом ОКГ кристаллическая решетка Al₂O₃ является матрицей, а ионы хрома — активатором. Элек­тронная конфигурация основного состояния трехзарядного иона хрома — 3d³. Вследствие взаимодействий между ионами кристаллической решетки основное состоя­ние асщеплено на ряд уровней. Схема нижних энергети­ческих уровней приведена на рис.2.

Два близко рас­положенных уровня 2-метастабильные долгоживущие состояния. Два широких уровня 3 соответствуют состояниям с малым временем жизни, причем наиболее вероятен спонтанный переход 3®2. Этот переход безызлучательный — избыток внутренней энергии иона переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Инверсное заселение состояний происходит по трехуровневой схеме рис.3 и рис.4.

Излучение накачки поглощается в криcталле на переходах 1®3. Спектр поглощения рубина соответствует раздвоенной структуре состояния 3. Он cодержит две широкие (Dl=1000 Ангстрем) полосы поглощения, максимумы которых приходятся на зеленую и фиолетовую области спектра. Спектр поглощения рубина представлен на рис.5, где две зависимости соответствуют двум ориентациям падающего излучения относительно оптической оси кристалла.

В результате поглощения излучения накачки ионы хрома переходят в одно из состояний 3. За счет спонтанного безызлучательного распада этих со­стояний ионы оказываются в метастабильных состояниях 2. Поскольку в данном случае выполняется условие g₃₂>g₂₁, населенность состояний 2 при соответствующей плотности накачки может превысить населенность невоз­бужденного состояния и на переходах 2®1 возникает генерация.

В рубиновом ОКГ генерация осуществляется на двух линиях (в соответствии с расщеплением состояния 2), которые обычно обозначают R1 и R2. Длина волны этих линий зависит от температуры кристалла, так как темпе­ратура изменяет характер внутрирешеточного расщепле­ния основного ионного состояния. Зависимость длины волны генерации от температуры кристалла является специфической особенностью твердотельных ОКГ. Зна­чения длины волны генерации на рубине при комнатной и азотной температурах приведены в табл.2.

Таблица 2.

Генерация на рубине в настоящее время реализуется как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Для импульсного режима характерны миллисекундные импуль­сы генерации, в.этом случае используются импульсные ксеноновые лампы. Пороговая энергия накачки зависит при выбранной лампе от объема и температуры кристалла, а также от конструкции системы накачки. Используются кристаллы диаметром от 12—15 мм и длиной до 15—20 см.

Обычно уровень пороговой энергии для рубина составляет сотни джоулей. С ростом энергии накачки растет и энергия в импульсе лазерного излучения. Теоретическую зависи­мость энергии генерации от энергии накачки можно пред­ставить, используя проведенный выше анализ работы трех­уровневой схемы. Энергия в импульсе лазерного излучения сначала возрастает линейно с ростом энергии накачки, а затем насыщается.

На рис.6 показаны экспериментальные точки этой зависимости и сплошной линией - теоретическая зависимость.

Энергия генерации у наиболее мощных рубиновых ОКГ достигает десяти джоулей. Если учесть, что длительность импульса ~10 мсек, то средняя мощность в импульсе генерации составит ~1кВт. Коэффициент полезного действия рубиновых ОКГ не превышает 1 %.

В последнее время появились работы, в которых описывается генерация на рубине в непрерывном режиме.

Для этого используются кристаллы относительно неболь­шого размера и, как правило, система охлаждения. Поро­говая мощность накачки даже для малых кристаллов достигает 1000 Вт. Эта величина существенно зависит от выбора лампы накачки и конструкции системы накач­ки. Мощность, генерируемая рубиновым ОКГ в непре­рывном режиме,— порядка сотни милливатт.

Для улучшения эффективности систем накачки в ряде случаев используются модифицированные конструкции активного элемента.

Концентрация излучения в образце приводит к неполному использованию активной среды и к снижению эффективности системы накачки. Чтобы устранить вредное влияние концентрации излучения накачки, стержень активного элемента рубинового ОКГ делают составным. Внутренняя часть стержня представляет собой рубин, а внешняя оболочка — сапфир, т. е. неактивированную решетку Al₂O₃. Сапфир обладает тем же показателем преломления, поэтому граница раздела рубин - сапфир не иска­жает хода лучей.

Тогда все лучи, падающие на поверхность образца, прой­дут сквозь рубин.

Вместо сапфировой оболочки для тех же целей могут-использоваться иммерсионные жидкости. В этом случае одновременно решается проблема охлаждения.

Иммерсионная жидкость должна иметь показатель пре­ломления, близкий к показателю преломления рубина (n = 1,76). В качестве иммерсионных жидкостей применяется раствор SnCl₂*2H₂O в глицерине (n = 1,76) и вод­ный раствор SnCl₂*2H₂O (n = 1,6).

Другое усовершенствование формы кристалла рубина используется при накачке в оптических и солнечных печах, когда излучение накачки удобнее вводить в кристалл через торцевую поверхность. В этом случае на входном торце наращивают сапфировый конус, как показано на рис.7. Это приводит к увеличению эффективности системы накачки.