stringtranslate.com

Твердотельный лазер

Лазерные стержни (слева направо): Рубин , александрит , Er:YAG , Nd:YAG.

Твердотельный лазер — это лазер , в котором используется твердая усиливающая среда , а не жидкость , как в лазерах на красителях , или газ , как в газовых лазерах . [1] Полупроводниковые лазеры также находятся в твердом состоянии, но обычно рассматриваются как отдельный класс от твердотельных лазеров, называемых лазерными диодами .

Твердотельные носители

Как правило, активная среда твердотельного лазера состоит из стекла или кристаллического «основного» материала, к которому добавляется « легирующая добавка », такая как неодим , хром , эрбий , [2] тулий [3] или иттербий . [4] Многие из распространенных примесей являются редкоземельными элементами , поскольку возбужденные состояния таких ионов не сильно связаны с тепловыми колебаниями их кристаллических решеток ( фононов ), а их рабочие пороги могут быть достигнуты при относительно низких интенсивностях лазерного излучения. накачка .

Существуют многие сотни твердотельных сред, в которых достигается лазерное воздействие, но широкое распространение получили относительно немногие типы. Из них, вероятно, наиболее распространенным является иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd:YAG). Стекло, легированное неодимом (Nd:стекло), а также стекла или керамика , легированные иттербием , используются при очень высоких уровнях мощности ( тераватты ) и высоких энергиях ( мегаджоули ) для многолучевого термоядерного синтеза с инерционным удержанием .

Первым материалом, использованным для лазеров, были синтетические кристаллы рубина . Рубиновые лазеры до сих пор используются в некоторых приложениях, но они не получили широкого распространения из-за своей низкой энергоэффективности. При комнатной температуре рубиновые лазеры излучают только короткие импульсы света, но при криогенных температурах их можно заставить излучать непрерывную последовательность импульсов. [5]

Некоторые твердотельные лазеры также можно настраивать с помощью нескольких внутрирезонаторных методов, в которых используются эталоны , призмы и решетки или их комбинация. [6] Сапфир, легированный титаном, широко используется благодаря широкому диапазону настройки: от 660 до 1080 нанометров . Александритовые лазеры перестраиваются от 700 до 820 нм и дают импульсы более высокой энергии, чем титан- сапфировые лазеры, из-за более длительного времени накопления энергии в усиливающей среде и более высокого порога повреждения .

Накачка

Твердотельная лазерная среда обычно накачивается оптически с помощью лампы-вспышки , дуговой лампы или лазерных диодов . [1] Твердотельные лазеры с диодной накачкой, как правило, гораздо более эффективны и стали гораздо более распространенными, поскольку стоимость мощных полупроводниковых лазеров снизилась.

Блокировка режима

Синхронизация мод твердотельных лазеров и волоконных лазеров имеет широкое применение, поскольку можно получать сверхкороткие импульсы большой энергии. [1] Существует два типа насыщающихся поглотителей, которые широко используются в качестве блокировщиков мод: SESAM, [7] [8] [9] и SWCNT. Также использовался графен . [10] [11] [12] Эти материалы используют нелинейное оптическое поведение, называемое насыщаемым поглощением , заставляющее лазер создавать короткие импульсы.

Текущие приложения и разработки

Твердотельные лазеры разрабатываются в качестве дополнительного вооружения для F-35 Lightning II и приближаются к рабочему состоянию, [13] [14] [15], а также внедряется система лазерного оружия FIRESTRIKE компании Northrop Grumman . [16] [17] В апреле 2011 года ВМС США испытали твердотельный лазер высокой энергии. Точная дальность стрельбы засекречена, но, по их словам, она стреляла «на мили, а не на ярды». [18] [19]

Фторид кальция , легированный ураном , был вторым типом твердотельного лазера, изобретенного в 1960-х годах. Питер Сорокин и Мирек Стивенсон из лабораторий IBM в Йорктаун -Хайтс (США) достигли лазерной генерации на длине волны 2,5 мкм вскоре после рубинового лазера Меймана .

Армия США готовится к испытанию лазерной системы, установленной на грузовике, с использованием волоконного лазера мощностью 58 кВт. [20] Масштабируемость лазера позволяет использовать его на любых устройствах: от дронов до огромных кораблей разной мощности. Новый лазер передает в луч 40 процентов доступной энергии, что считается очень высоким показателем для твердотельных лазеров. Поскольку все больше и больше военных транспортных средств и грузовиков используют передовые гибридные двигатели и силовые установки, которые производят электроэнергию для таких приложений, как лазеры, эти приложения, вероятно, будут распространяться в грузовиках, дронах, кораблях, вертолетах и ​​самолетах. [20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Хеллер, Йорг (1 марта 2022 г.). «Букварь по твердотельным лазерам». www.techbriefs.com . Медиа группа САЭ . Проверено 7 августа 2022 г.
  2. ^ Сингх, Г.; Пурнавирман; Брэдли, JDB; Ли, Н.; Магден, ES; Мореско, М.; Адам, Теннесси; Лик, Г.; Кулбо, Д.; Уоттс, MR (2016). «Волноводные лазеры с резонансной накачкой, легированные эрбием, с использованием распределенных резонаторов брэгговского отражателя». Оптические письма . 41 (6): 1189–1192. Бибкод : 2016OptL...41.1189S. дои : 10.1364/OL.41.001189 . ПМИД  26977666.
  3. ^ Су, З.; Ли, Н.; Магден, ES; Берд, М.; Пурнавирман; Адам, Теннесси; Лик, Г.; Кулбо, Д.; Брэдли, доктор юридических наук; Уоттс, MR (2016). «Сверхкомпактный и низкопороговый тулиевый микрорезонаторный лазер, монолитно интегрированный на кремнии». Оптические письма . 41 (24): 5708–5711. Бибкод : 2016OptL...41.5708S. дои : 10.1364/OL.41.005708 . ПМИД  27973495.
  4. ^ З. Су, Дж. Д. Брэдли, Н. Ли, Э. С. Магден, Пурнавирман, Д. Коулман, Н. Фаренкопф, К. Байокко, Т. Адам, Г. Лик, Д. Кулбо, Д. Вермюлен и М. Р. Уоттс (2016). ) «Сверхкомпактный КМОП-совместимый иттербиевый микролазер», Комплексные исследования в области фотоники, Кремний и нанофотоника, 2016 , IW1A.3.
  5. ^ «Непрерывная работа твердотельного лазера, раскрытая BTL» (PDF) . Космонавтика : 74. Март 1962.
  6. ^ Н. П. Барнс, Твердотельные лазеры на переходных металлах, в Справочнике по настраиваемым лазерам , Ф. Дж. Дуарте (ред.) (Academic, Нью-Йорк, 1995).
  7. ^ Х. Чжан и др., «Индуцированные солитоны, образованные за счет перекрестной поляризационной связи в волоконном лазере с двулучепреломляющим резонатором». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Opt. Lett., 33, 2317–2319. (2008).
  8. ^ Д. Я. Тан и др., «Наблюдение векторных солитонов с фиксированной поляризацией высокого порядка в волоконном лазере». Архивировано 20 января 2010 г. в Wayback Machine , Physical Review Letters , 101, 153904 (2008).
  9. ^ LM Чжао и др., «Блокировка вращения поляризации векторных солитонов в волоконном кольцевом лазере». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Optics Express , 16,10053–10058 (2008).
  10. ^ Х. Чжан; Д.Ю. Тан; Л.М. Чжао; К.Л. Бао; КП Ло (2009). «Синхронизация мод большой энергии волоконного лазера, легированного эрбием, с атомным слоем графена» (PDF) . Оптика Экспресс . 17 (20): 17630–5. arXiv : 0909.5536 . Бибкод : 2009OExpr..1717630Z. дои : 10.1364/OE.17.017630. PMID  19907547. S2CID  207313024. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 года.
  11. ^ Хан Чжан; Цяолян Бао; Динъюань Тан; Люмин Чжао и Кяньпин Ло (2009). «Солитонный волоконный лазер большой энергии, легированный эрбием, с композитным блокировщиком мод из графена и полимера» (PDF) . Письма по прикладной физике . 95 (14): P141103. arXiv : 0909.5540 . Бибкод : 2009ApPhL..95n1103Z. дои : 10.1063/1.3244206. S2CID  119284608. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 года.
  12. ^ «Графен: лазеры с синхронизацией мод». Материалы НПГ Азия . 21 декабря 2009 г. doi : 10.1038/asiamat.2009.52 .
  13. ^ Фулгам, Дэвид А. «Разрабатываются лазеры для F-35 и AC-130». Неделя авиации и космических технологий (8 июля 2002 г.). Дата доступа: 8 февраля 2006 г.
  14. ^ Моррис, Джефферсон. «Сохранять хладнокровие — серьезная задача для лазера JSF, — говорит Lockheed Martin». Aerospace Daily , 26 сентября 2002 г. Дата доступа: 3 июня 2007 г.
  15. ^ Фулгам, Дэвид А. «Лазеры, оружие HPM почти в рабочем состоянии». Неделя авиации и космических технологий , 22 июля 2002 г. Дата доступа: 8 февраля 2006 г.
  16. ^ "Пресс-релиз Northrop Grumman" . Архивировано из оригинала 8 декабря 2008 года . Проверено 13 ноября 2008 г.
  17. ^ "Пресс-релиз Регистра". Регистр . Проверено 14 ноября 2008 г.
  18. ^ «Лазерное испытание ВМС США может разжечь пиратов» . Фокс Ньюс . 13 апреля 2011 г.
  19. ↑ Каплан, Джереми А. (8 апреля 2011 г.). «Военно-морской флот демонстрирует новое мощное лазерное оружие» . Фокс Ньюс .
  20. ^ Аб Такер, Патрик (16 марта 2017 г.). «Армия США испытает новый мощный лазер, установленный на грузовике, «в течение нескольких месяцев»» . Защита Один . Проверено 13 августа 2017 г.