3.2. Твердотельные лазеры

Твердотельными называются лазеры, лазерными веществами которых служат кристаллические диэлектрики и стекла с введенными в них активными центрами – примесными ионами. Лазерные переходы осуществляются между уровнями энергии ионов. Кристаллические диэлектрики и стекла служат некой матрицей, в определенной степени фиксирующей пространственные координаты примесных ионов. Влияние поля матрицы на лазерные переходы незначительно, так как переходы происходят между электронными уровнями незаполненных внутренних оболочек ионов. Наиболее часто в качестве примесных используются ионы неодима (Nd³⁺), хрома (Сг³⁺) и эрбия (Ег³⁺), значительно реже ионы гольмия (Но³⁺).

К настоящему времени создано большое число лазерных веществ, используемых при изготовлении активных элементов твердотельных лазеров. Из них наибольшее практическое применение нашли рубин (длина волны излучения 0,69 мкм), стекло, активированное неодимом, и иттрий–алюминиевый гранат, также активированный неодимом (Nd:YAG) (длина волны излучения 1,06 мкм). При ограниченной (~ 20 Вт) средней выходной мощности излучения конкурентноспособен по отношению к Nd:YAG кристалл гадолиний–скандий–галлиевого граната, активированный ионами неодима и хрома – Nd:Cr:GSGG (длина волны излучения 1,06 мкм). На основе фторида иттрия–лития (YLF), активированного эрбием (Еr³⁺), создан лазер, генерирующий на длинах волн 0,85 и 1,73 мкм. На базе того же YLF, но уже активированного гольмием Но³⁺, разработан лазер, генерирующий на длине волны 2,06 мкм.

Лазеры на матрицах, активированных ионами Ег³⁺ и Но³⁺, а также рубиновый лазер работают с оптической накачкой за счет световой энергии импульсных и непрерывных ламп со спектрами излучения, перекрывающими спектры поглощения лазерных веществ. В Nd:YAG – и Nd:Cr:GSGG – лазерах используется накачка излучением светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Устройство твердотельного лазера с ламповой накачкой схематически изображено на рис. 3.2. Лазер состоит из активного элемента, лампы накачки, отражателя, зеркал резонатора, блока питания, системы охлаждения активного элемента, системы охлаждения лампы накачки и элементов управления излучением.

При изготовлении активных элементов твердотельных лазеров в качестве лазерных веществ чаще других используют рубин, а также стекло и кристалл YAG, активированные ионами неодима.

Рис. 3.2. Схематическое изображение конструкции твердотельного лазера с ламповой накачкой: 1 – активный элемент, 2 – лампа накачки, 3 –отражатель, 4 – зеркала резонатора, 5 – блок питания, 6 – система охлаждения активного элемента, 7 – система охлаждения лампы накачки, 8 – элементы управления излучением

Рубин, давно известный как природный драгоценный камень, есть ни что иное как корунд – окись алюминия (Al₂О₃), в котором часть ионов А1³⁺ замещена ионами хрома Сr³⁺. В лазерной технике используется искусственно выращенный рубин. Он выращивается из расплава смеси А1₂О₃ и небольшой (около 0,05 вес.%) части Сr₂О₃. Абсолютная концентрация ионов хрома составляет при этом 1.6∙10¹⁹ см^-3, а сам рубин имеет бледно–розовый цвет в отличие от природного рубина, темно–красный цвет которого объясняется высокой (до нескольких процентов) концентрацией ионов хрома.

В Nd:YAG – лазерах лазерным веществом является кристалл Y₃Al₅O₁₂, сокращенно называемый YAG – yttrium aluminum garnet (иттрий–алюминиевый гранат), в котором часть ионов Y³⁺ замещена ионами Nd³⁺ . Как правило, уровень легирования неодимом не превышает 1 ат.%. При более высоких уровнях легирования наблюдается тушение люминесценции и возникает внутреннее напряжение в кристалле. Последнее обусловлено тем, что радиус иона Nd³⁺ на 14% превышает радиус иона Y³⁺. При оптимальном уровне легирования прозрачный кристалл YAG приобретает бледно–пурпуровую окраску – следствие того, что линии поглощения Nd³⁺ лежат в красной области. Степень легирования стекла с неодимом несколько выше, чем для Nd:YAG – около 3 вес.% Nd₂О₃. Уровни энергии иона неодима в стекле в основном располагаются так же, как и в Nd:YAG. Однако в стекле имеет место неоднородное уширение, обусловленное локальными неоднородностями поля стеклянной матрицы. Поэтому линии лазерных переходов намного (примерно в 30 раз) шире, чем в Nd:YAG – лазерах. Намного шире, чем в Nd:YAG – лазерах, и полосы поглощения. Если при этом учесть, что концентрация ионов Nd³⁺ в стекле, как правило, вдвое больше, чем в кристалле Nd:YAG, то эффективность накачки стеклянного стержня приблизительно в 1,6 раза выше, чем одинакового с ним по размеру стержня из Nd:YAG. Активный элемент из стекла можно сделать много больших размеров, чем из Nd:YAG, что обусловлено значительно более низкой температурой плавления стекла и его недостаток – низкую (примерно в десятъ раз меньше, чем Nd:YAG) теплопроводность. Это существенно ограничивает область применения лазеров на стекле с неодимом импульсными системами, работающими с низкой (< 5 Гц) частотой следования импульсов. Активные элементы, как правило, изготавливаются в виде круговых цилиндров. Реже используются активные элементы, имеющие форму параллелепипеда. Торцы активных элементов полируются, причем торцы параллельны друг другу. Спектральные зависимости сечения поглощения рубина, а также кристалла YAG, активированного неодимом, приведены на рис. 3.3.

Важнейшим параметром активных элементов является ресурс работы. Наиболее долговечным является Nd:YAG (генерация в режиме модулированной добротности миллион импульсов и более). Рубин в этом же режиме работы выдерживает не более нескольких сотен тысяч импульсов.

При ламповой накачке твердотельных лазеров, работающих в режиме импульсной генерации, используются в основном ксеноновые лампы среднего (500 – 1500 торр) давления. Спектр их излучения сильно (рис. 3.3, а) зависит от энергии, выделяющейся при вспышке. С увеличением этой энергии доля световой энергии, приходящейся на коротковолновую часть спектра, возрастает. Из сопоставления спектра поглощения рубина и спектра излучения ксеноновой лампы–вспышки следует, что только 30 % полной световой энергии излучения лампы поглощается рубином. Остальная энергия затрачивается на паразитное нагревание активного элемента, оболочки (колбы) лампы накачки и отражателя, что обусловливает необходимость использования систем охлаждения в твердотельных лазерах с ламповой накачкой.

Схожая картина наблюдается и при накачке криптоновыми лампами ВД (рис. 3.3, 6) Nd:YAG – лазера, работающего в режиме непрерывной генерации.

В последнее десятилетие ламповая накачка Nd:YAG – лазеров практически полностью вытеснена накачкой полупроводниковыми лазерами и светодиодами, спектры излучения которых более полно совпадают с полосами поглощения Nd:YAG. Используются инжекционные лазеры с двусторонними гетероструктурами, работающие как в непрерывном режиме, так и в импульсно – периодическом. С целью интенсификации накачки лазеры объединяют в линейки и решетки. А использование оптоволоконных выводов лазерного излучения позволяет отказаться от громоздких отражателей.

Как правило, используется внешний резонатор. Одно из зеркал выполняется с коэффициентом отражения на длине волны генерации, близким к единице, другое, через которое выводится излучение, частично прозрачным.

Выбор резонатора того или иного типа производится как с учетом требований, предъявляемых к параметрам излучения, так н с учетом обеспечения устойчивости резонатора при воздействии на него дестабилизирующих факторов.

Временные характеристики (режимы) излучения твердотельных лазеров зависят как от способа накачки, так и от метода управления добротностью резонатора. При импульсной световой накачке лазер может работать в режимах свободной генерации, модулированной добротности и синхронизации мод. При непрерывной накачке – в непрерывном режиме генерации, режиме периодической модуляции добротности резонатора (частота следования импульсов до 50 кГц) и режиме синхронизации мод (частота следования импульсов от 100 до 500 МГц).

Лазер на рубине был первым квантовым генератором, работающим в оптическом диапазоне. Однако в настоящее время рубиновый лазер практически полностью вытеснен неодимовыми лазерами на кристалле YAG и стекле. В его области применения осталась, пожалуй, только импульсная голография, где требуется использовать излучение с большой энергией импульса и достаточно коротковолновое, чтобы обеспечить работу в области чувствительности фотопленки.

Упрощенное схематическое изображение уровней энергии ионов хрома в рубине и процессов, обеспечивающих генерацию излучения рубинового лазера, приведено на рис. 3.4. Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме, в которой уровнем 1 является основное (невозбужденное) состояние иона хрома Сr^{3+ 4}А₂, уровнем 2 – две полосы поглощения энергии излучения ⁴F₂ и ⁴F₁, уровнем 3 – дублет ²E, состоящий из подуровней 2 и .

Рис. 3.4. Спектр излучения: а – импульсной ксеноновой лампы при давлении газа 500 торр и плотности тока 2400 А/см²; б – непрерывной криптоновой лампы при давлении газа 4 атм и плотности тока 80 А/см²

Упрощенное схематическое изображение уровней энергии ионов хрома в рубине и процессов, обеспечивающих генерацию излучения рубинового лазера на длинах волн 0,6929 и 0,6943 мкм: 1 – основное состояние ионов хрома ⁴А₂; 2 – полосы поглощения энергии излучения источника оптической накачки ⁴F₂ и ⁴F₁ с центрами на длинах волн 0,56 и 0,41 мкм и шириной около 100 нм; 3 – верхние лазерные уровни 2 и . Процессы, приводящие к заселению верхних лазерных уровней: а и b –поглощение энергии излучения оптической накачки; с – безизлучательная передача энергии из полос поглощения на верхние лазерные уровни. R₁ и R₂ – линии излучения. Инверсия населенностей создается между подуровнями 2 и (верхние лазерные уровни) и уровнем ⁴А₂.

Оптическая накачка осуществляется излучением мощных импульсных ксеноновых ламп.

Лазеры на иттрий–алюминиевом гранате (Nd:YAG–лазеры) являются самыми распространенными из твердотельных лазеров. Популярность Nd:YAG – лазеров объясняется низким порогом генерации и высокой теплопроводностью YAG – кристалла. Благодаря этим свойствам Nd:YAG – лазеры могут работать в широком диапазоне частот следования импульсов – от 1 до 100 Гц в режиме свободной генерации, от 5 до 50 кГц в режиме периодической модуляции добротности при непрерывной накачке и от 500 до 1000 МГц в режиме синхронизации мод. Приведенные величины частот значительно превышают частоты следования импульсов рубиновых и на неодимовом стекле лазеров. Кроме того из–за низкого порога генерации Nd:YAG – лазеры прекрасно работают и в режиме непрерывной генерации при достаточно высоком (~ 3%) КПД.

Уровни энергии иона неодима Nd³⁺ в кристалле Nd:YAG располагаются так же как и в стекле, активированном ионами неодима, и так же расщеплены за счет эффекта Штарка (рис. 3.5). Полосы поглощения неодима в гранате расположены в достаточно широком диапазоне длин волн – от 0,4 до 0,88 мкм. Однако наиболее эффективные полосы накачки – это полосы вблизи двух длин волн: 0,73 и 0,81. Для накачки Nd:YAG –лазеров в настоящее время широко используются полупроводниковые лазеры с оптоволоконным выводом излучения. При этом обеспечивается не только хорошее согласование спектра излучения лазера со спектром поглощения кристалла Nd:YAG, но и высокая эффективность использования объема кристалла.

Имеются четыре основные группы переходов:

⁴F_3/2 →⁴I_9/2 (на нем может быть реализован только импульсный режим генерации);

⁴F_3/2 →⁴I_11/2;

⁴F_3/2 →⁴I_13/2

⁴F_3/2 →⁴I_15/2.

В пределах каждой группы наиболее интенсивным линиям соответствуют длины волн λ₁ = 0,946 мкм, λ₂ = 1,064 мкм, λ₃ =1,338 мкм, λ₄ = 1,9 мкм. Интенсивности этих линий соотносятся как 25:60:14:1. Поэтому, как правило, Nd:YAG – лазеры используют в качестве генераторов излучения с длиной волны 1,064 мкм. Также широко используют 2–ую, 3–ю и 4–ую гармоники этого излучения.

Отличительной особенностью Nd:YAG – лазеров является многообразие режимов их работы. При уменьшении частоты следования импульсов до 0,016 Гц в многоэлементных Nd:YAG лазерах возможна генерация импульсов с энергией до 400 Дж, что хуже, чем у лазеров на неодимовом стекле. Однако уже при частоте следования импульсов 1 Гц и длительности импульсов около 5 мс энергия импульса Nd:YAG –лазера становится соизмеримой, а в некоторых типах лазеров и превышает энергию импульса лазера на неодимовом стекле.

Наибольший практический интерес представляют, однако, Nd:YAG –лазеры, работающие в режиме модулированной добротности. В качестве модулятора добротности в таких Nd:YAG – лазерах обычно используются электрооптические затворы. Однако в малогабаритных лазерах достаточно эффективными могут быть пассивные затворы на основе кристаллов LiF с центрами окраски типа F₂. В некоторых конструкциях Nd:YAG – лазеров, работающих в режиме модулированной добротности, в резонатор лазера вводится насыщающийся поглотитель, сочлененный, как правило, с непрозрачным («глухим») зеркалом резонатора. При этом генерируется не один импульс длительностью 10 – 20 нс, а группа сверхкоротких импульсов длительностью в десятки – сотни пикосекунд, следующих с частотой, определяемой удвоенным временем обхода резонатора электромагнитным излучением. Время генерации группы сверхкоротких импульсов близко к длительности моноимпульса.