Laserul cu rubin roz

LASERI CU MU MEDIL ACTIV SOLID.

Laserul cu rubin roz ( Al₂ O₃ Cr⁺³).

Substanta activa de lucru este ionul triplu ionizat Cr⁺³. Inversarea de popiuulatie se obtine prin pompaj optic, este un sistem cu trei nivele. In fig.1 este reprezentata schema nivelelor energetice ale Cr⁺³ si tranzitiile care participa la inversarea de ppulatii si emisia laser.

Bara de rubin este iluminat[ cu lumina alba de la o lampa ce emite un apectru continuu bogat in radiatia verde-albastra. Absorbtia luminii (pompaj optic) se face intre nivelele , nivel inferior si respectiv nivele (benzi) superioare unde Cr^*3 are o viatsa medie foarte scurta si revine aproape instantaneu pe nivelul care eswte despicata in doua subnivele metastabile si . Viata medie pe aceste subnivele este de 3.10^-7 s, la 3000 K. Intre cele doua subnivele exista o relaxare detul de puternica si din acest motiv nivelul inferior este mai puternic populat, ca rezultat emisia laser a liniei R₁ este mai probabila fata de linia de emisie laser R₂. Forma liniei de emisie R este lorentziana cu o largime a linie . Largimea linie de emisie lasaer depinde puternic de temperatura. Pentru analiza functionarii acestui tip de laser plecam de la constatarea ca pragul de generare este inalt. Pentru a ajunge la o asemenea inversare de populatie care sa permita emisie laser, cristalul trebuie sa absoarba ao energie care ar incalzi-o la o temperatura de 3000 K, temperatura care duce cu siguranta la distrugera barei de cristal. Aceasta insemabna ca lasedrul cu rubin poate functiona numai in regim de impulsuri. Iantre doua pulsuri cristalul se raceste si viata lui este prelungita foarte mult.

Analiza proceselor de tranzite este complicata. In scopul simplioficarii problemei vom presupune;

a-      sistemul este cu trei nivele,

b-      se excita un sisngur mod,

c-      inceputul impulsului este la t = 0,

d-      populatia nivelului 3) este, N₃ = 0, datorita unei relaxari foarte puternice, care duce starea sistemului in starea 2) prin tranzitii neradiative,

e-      radiatia laser apare la tranzitia 2)

Presupunem deasemenea ca distributia populatiilor si energia de pompaj sunt omogene in volumul cristalului V.

Rezolvarea probemei propuse rezida in aflarea dependentei de timp a populatiilor N₁, N₂, N₃, in unitatea de volum si a populatiei fotonilor, adica a numarului de fotoni in mod.

Conform presupunerii, N₃ = 0, si N₁+ N₂ = N. Energia modului este E_m = V.F..

Este suficient deci sa cautam populatiile N₂(t) si F t . Viteza lor de variatie este desigur cu mult mai mica decat perioada de oscilatie a luminii.

Ecuatiile de evolutie sunt,

, (1)

, (2)

unde: - probabilitaea de tranzitie datorita pompajului optic,

- probabilitatea de tranzitie datorita campului de radiatie,

- reprezinta probabilitatea pierderilor din rezonator ( amorsarea).

Probabilitatea , , fiind coeficientul Einstein cand probabiitatea datorita radiatiei nu este exprimata ca o proportionalitate cu densitatea de energie ci cu numarul de fotoni, , unde este functia de forma. Ecuatia (1) arata ca populatia nivelului 2) se imbogateste datorita pompajului (primul terman) si se saraceste datorita emisiei stimulate (termenul doi) si emisie spontane (termenul trei). Ecuatia a doua arata cresterea numarului de fotoni in mod, datorita emisiei stimulate

Analiza: ZINCUL - metabolismul zincului - rolul biochimic al zincului Proiect: Hidrogen, oxigen, sulf, carbon - elemente chimice

( prrimul termen) si emisiei spontane (termenul doi) si se saraceste datorita amorsarii (pierderilor in rezonator). Prezenta emisie spontane in ecuatia (2) desi este mica, ea este importanta deoarece tocmai fotonii emisiei spontane declanseaza primul impuls pentru emisia stimulata. Daca notam cu valoarea lui N₂ la pragul degenerare, care poate fi obtinuta din ecuatia deechiliobru: , (castigul = pierderi) , sistemul deecuatii (1) , (2) devine,

(1 si

. (2

Acest sistem de ecuatii este neliniar deoarece contine termenul de forma: Solutia se poate obtine la calculator. Pe noi ne intereseaza solutia ecuatiilor de mai sus sub forma scrisa mai sus , adica in regim tranzitor si nu in regim stationar, , respectiv, .

Solutiile ecuatilor sunt date in graficele din fig.2.

Se pot observa urmatoarele stadii de evolutie temporale:

a)      si = 0. Populatia N₂ creste exponential pana ce ajunge valoarea de prag de generare

b)      , datorita emisiei spontane apare excitarea, generarea de fotoni. Populatia modului F amodului devine diferita de zero si creste foarte rapid, din care cauza din ce in ce mai multe particule parasesc nivelul 2), astfel populatia N₂ trece in stadiul ,

c)      - , numarul de fotoni se micsoreaza pana la zero. La inceput N₂ scade, dupa care incepe sa creasca din nou si astfel procesul se repeta.

Evolutia diferentelor de populatii sunt exprimate aproximativ prin;

, respectiv .

Din aceasta succinta analiza a proceselor de tranzitie, deci a functionirii laserului in regim relaxat , se ajunge la concluzia ca, daca se reuseste printr-o metoda oarecare oprirea aparitiei fotonilor prin emisia stimulata, nivelul inversarii populatiei N₂(t) poate fi marita foarte mult, si daca in momentul cand aceasta onversare ajunge la valoarea sa maxima posibila, printr-o comanda exterioara se creaza conditie deemisie, se pot obtine impulsuri foarte puternice de emisie stimulata - impulsuri giganti.

Schema de principiu de constructie a laserului cu rubin estevprezentata in fig.3. Iluminarea barei se face cu omlampa cu descarcare electrica in gaze, de regula xenon, lampa flash. Bateria de condensatoare de la o ursa dealimentare de curent continuu este cuplata la comanda de comutatorul K la tubul dedescarcare care emite un puls puternic de lumina. Pentru eficientizarea solarizarii barei ( iluminarii), lampa se aseaza in una din focarele cavitatii cu sectiune eliptica, reflectatoare, iar in celalat focar bara de rubin ca in fig.4.

Orice raya de lumina Pornita din focarul F₁ trece neaparat dupaareflexie prin focarul F₂ (proprietae suprerfetei eliptice ) astfel eficacitatea iluminarii barei creste foarte mult.

D regula oglinyile cavitatea reyonanta laser se depun direct pe capetele barei. Tipul de cavitate folosita depinde de destinatia laserului respectiv

Laserul cu neodim

Studiul tranzitiilor arata ca inversarea de populatie se obtine cu mult mai usor la sisteme cu patru nivele. Medii active laser cu 4 nivele, sunt anumite materiale gazda ( sticla, cristale) in care se inglobeaza elemente di pamanturi rare. Ceste elemente au tranzitii in domeniul frecventelor optice intre paturile interioare de electroni neocupate complet. Ecranarea acestora de catre paturile exterrioare micsoreaza interactiunea interactiunea pelectronilor de tranzitie a starilor interne cu cristalul inconjurator sau sticla. Ca rezultat se obtine o liniue deemisie foarte ingusta. Aceste propritati poseda si elementele actinide.

La introiducerea acestor elemente in materialul gazda, linia de emisie sufera o largire datorita vibratiei termice aretelei cristaline. Elementul respectiv din categoria pamanturilor rare este neodomul trivalent (Nd⁼³). Schema nivelelor energetice este data in fig.5.

Benzile de absorbtie, de 0,81 mm si 0,75 mm lungime de unda, excitate prin pompaj optic ajung cu o foarte mare eficienta de 99% pe nivelul superioer laser . Timpul de viata pe aceasta stare este de 230 ms. Din totalitatea tranzitiilor de pe nivelul pe nivele I, 60% se fac pe nivelul . Tranziile de pe nivele 1 pe nivelul fundamental sunt rapide. Laeerul cu Nd este deci un sistem cu 4 nivele.

Eficienta laserului cu Nd depinde de materialul gazda. In cazul sticlei optice largimea liniei deemisie este mai mare si neimogena datorita neregulariotatilor sticlei.

In cazul cristaluluyi cu YAG ( granatul de ytriu si aluminiu, Y₃Al₅O₁₂ ) linia de emisie este ingusta si eficienta laser mare, Dimensiunea unei bare de YAG dopat cu Nd⁼³ este de ordinul 4 . 10 cm lungime si 2 . 6 mm diametru. In cazul sticlei, dimensiunea barei nu este limitata. Se pot obtine bare de sticla de dimensiuni mari.

Laserul cu neodim poate functiona atat in regim de impulsuri cat si continuu. Functionarea in in regim continuu este liomitata de regimul de functionare a lampii de pompaj ( flash). In cazul YAG-Nd⁼³ la functionarea multimod se ajunge la 10 - 100 W putere cu un randament de 1 . 2 %, iar in functionare monomod d ordinul 4 . 6 W in regim continuu.

O constructie foarte eficienta cu functionare in regim continuu se bazeaza pe un sistem de pompaj cu dioda luminiswcenta GaAsP, sau AlGaAs, la l = 0,81 mm. fig. alaturata.

Avantajuk sticlei consta in calitatile sale

Optice inalte. Din acest materalse pot face conductori ptici. Astfel, o fibra de cuart activat cu Nd de 20 . 50 mm diametru si 1 ..2 cm lungime are prag de emisie la l mm la absorbtie a puterii de pompaj numai de 1 . 2. MW.

Emisia laser, creste odata cu cresterea concentratiei de Nd ( mai mult de 1 % in locul Y), datorita interactiunii perechii de Nd are loc o largire a liniei spectrale de emisie. Ultrafosfatul P₅O₁₄ - dopat cu Nd are o alta comportare. In acest material ionii de Nd⁼³ sunt legati si complexe mari de fosfat ii izoleaza bine unul de altul. Astfel linia de emisie cu aceasi largime ca si la YAG-Nd are loc la o concentratie de Nd de 4.10²¹ cm^-3, adica de 60 ori mai mare fata de concentratia acestula. Din acest motiv se poate astepta la o marire a puterii de 60 ori si scadere a praglui de generare.

Superfosfatul dopat cu putin Ytriu sau Scandiu, imbogateste calitatea optica a cristalului de superfosfat dopat cu Nd, totodata mareste timapul dfe viata pe nivelul superior laser.Pentafosfatul de neodim, P₅O₁₄-Nd, are o banda puternica de absorbtie la l mm, ceea ce permite un pompaj cu un randament inalt, flosind in acest scop o dioda laser. Coeficientul de amplificare pentru radiatia laser cu l mm ajunge la 10 dB/cm. Pragul de piompaj ajunge sub 1 mW. La acesti parametrii laserul cu pentafosfatul cu Nd intrece orice alt laser cu mediul activ slid, lichid sau gaz.