9283_спектры поглощения материалов_отчёт_Зикратова
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
Кафедра фотоники
отчЁт
по лабораторной работе №1
по дисциплине «Квантовая оптическая электроника»
Тема: СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ
Студентка гр. 9283 |
|
Зикратова А. А. |
|
|
Дронов А. |
Преподаватель |
|
Романович М. М. |
Санкт-Петербург
2022
Цель работы.
исследование спектров оптического поглощения материалов, используемых в качестве активных элементов твердотельных лазеров.
Основные положения:
В работе исследуются два материала активных элементов твердотельных лазеров: рубин (Cr3+ в матрице окиси алюминия Al2O3) и неодимовое стекло (Nd3+ в стекле). Рубин изготавливается искусственно путем добавления оксида хрома Cr2O3 в корунд. Бесцветные кристаллы Al2O3 обладают высокими теплофизическими и механическими свойствами и прозрачны в оптической области от 0,17 до 6,5 мкм. При добавлении Cr2O3 цвет материала меняется от бледно-розового при низком легировании до вишнево-красного при концентрации хрома CCr ~ 1 %. В лазерах обычно используется рубин с CCr в пределах от 0,03 % до 0,05 %. Основные энергетические уровни хрома в рубине и схема работы лазера представлены на рис. 1.:
Рис. 1 - Диаграмма энергетических уровней Cr3+ в Al2O3 и схема работы рубинового лазера
Недостатками рубинового лазера являются низкий КПД и большие пороговые энергии накачки, обусловленные трехуровневой схемой работы. Более удачными в этом смысле оказались ионы редкоземельных элементов, в частности неодима Nd, которые позволяют осуществить работу по четырехуровневой схеме. На рис. 2. представлена упрощенная энергетическая диаграмма Nd3+ в стекле.
Рис. 2 - Упрощенная диаграмма энергетических уровней Nd3+ в стекле и схема работы неодимового лазера
Эффективность оптической накачки определяется шириной и спектральным положением полос поглощения ионов активатора. Исследование спектров поглощения дает возможность не только согласовать источник накачки с активным элементом твердотельного лазера, но и определить вероятности соответствующих переходов. Изучение спектра поглощения проводят путем измерения оптического пропускания материала на заданной длине волны монохроматического излучения λ (частоте ω или энергии фотонов ħω).
Схема установки:
Рис. 3 - Оптическая схема установки для измерения спектров пропускания: 1 – галогенная лампа, 2 – решёточный монохроматор, 3 – набор сменных диафрагм, 4 – линза, 5 – каретка для образцов, 6 – фильтр, 7 –вакуумные элементы
Обработка результатов:
1.
Пример расчёта коэффициента поглощения для рубина при λ = 350 нм, d = 1 см:
nруб = 1,76; Rруб = = = ≈ 0,076; k = * [2ln(1 – R) – ln(T)]
= * [2ln(1 – 0,076) – ln(22,5/100)] ≈ 1,334 см-1.
Рис. 4 – Зависимость коэффициента пропускания от длины волны излучения для рубина
U-полоса поглощения
Y-полоса поглощения
Рис. 5 – Зависимость коэффициента поглощения от частоты излучения для рубина
Пример расчёта коэффициента поглощения для стекла при λ = 520 нм, d = 1 см:
nст = 1,55; Rруб = = = ≈ 0,047; k = * [2ln(1 – R) – ln(T)]
= * [2ln(1 – 0,047) – ln(9,5/100)] ≈ 2,259 см-1.
Рис. 6 – Зависимость коэффициента пропускания от длины волны излучения для неодимового стекла
Рис. 7 – Зависимость коэффициента поглощения от частоты излучения для неодимового стекла
2. Процентное содержание Cr2O3 в кристалле рубина, d = 1 см, dCr2O3 = 3,39 г/см3:
CCr = * ) = * ) ≈ 0,0773 %; N = = ≈ 1,038 * 1019 см-3 = 1,038 * 1025 м-3
3. Расчёт коэффициентов Эйнштейна и интегрального поперечного сечения поглощения для U- и Y- полос:
Пример расчёта параметров для U-полосы:
B02 = * = * = * ≈ 1,49 * *1015 м3/(Дж * с2), где соответствует = λ2 – λ1, а λ2, λ1 соответствуют приблизительно kmax/2
A20 = * ω B02 = * B02 = * * *1,49 *1015 ≈ 90081,4 с-1
χ = = = = ≈ 4,46 * 10-12 м2
Вывод: в ходе лабораторной работы рассматривались спектры поглощения рубина и неодимового стекла, применяемых в качестве активных веществ для твердотельных лазеров.
1. Накачка рубина, легированного ионами Cr3+, интенсивнее всего происходит в U-полосе [350 … 450]нм (максимум поглощения ≈ 390 нм) и Y-полосе [475 … 600]нм (максимум поглощения ≈ 540 нм). Накачка стекла, легированного ионами Nd3+, интенсивнее всего происходит в полосе [550 … 600]нм (максимум поглощения ≈ 520 нм) и полосе [715 … 760]нм (максимум поглощения ≈ 730 нм).
2 - 3. Для расчёта коэффициентов Эйнштейна A20, B02 для рубина (пропорциональны вероятностям спонтанного и вынужденного переходов соответственно) была рассчитана концентрация ионов Cr3+, поскольку его содержание определяет поглощающую способность рубина. По эмпирической формуле * ) было определено процентное содержание ионов Cr3+ - CCr, а также концентрация поглощающих центров – N, пропорциональную CCr и влияющую на вероятности переходов.