Глава 6. Типы лазеров

Имеется множество типов лазеров, но в данном разделе будут рассмотрены наиболее важные, представляющие целые классы. Главное внимание при этом будет уделяться физическим принципам, но неизбежно будут рассмотрены и некоторые технические вопросы.

Твердотельные лазеры

Лазеры с активной средой из диэлектрических кристаллов или стекла называются твердотельными. (Полупроводниковые лазеры рассматриваются отдельно в силу специфики накачки и генерации). В твердотельных лазерах активными центрами являются, как правило, примесные ионы. Обычно это ионы из групп переходных элементов или редкоземельные ионы. Используемые для генерации переходы включают электронные уровни внутренних оболочек. Такие переходы запрещены в электродипольном приближении. Поэтому время спонтанной релаксации попадает в миллисекундный диапазон. В связи с этим: во-первых, безызлучательные каналы релаксации малоэффективны и время жизни верхнего уровня примерно равно спонтанному, и попадает в миллисекундный диапазон. Во-вторых, ширина линии перехода относительно невелика, т.к. механизмы уширения относительно неэффективны. Это все приводит к малому значению критической скорости накачки.

Рубиновый лазер

Рубиновый лазер – исторически первый, но все ещё находит применение, несмотря на огромное количество новых типов и видов. Рубин – кристалл корунда Al₂O₃ (допированный 0,05% вес. Cr₂O₃), в котором ионы Al³⁺ замещены Cr³⁺. Без добавления хрома при выращивании получается прозрачный сапфир.

Энергетические уровни рубина образуются за счет трех электронов на внутренней 3d оболочке иона Cr³⁺, находящихся под действием октаэдрического поля решетки Al₂O₃. Уровни, представляющие интерес для лазерной генерации приведены на рис. Рубин имеет две основные полосы поглощения ⁴F₁ и ⁴F₂, причем наиболее интенсивное поглощение на эти полосы происходит с основного состояния ⁴А₂ на длинах волн 0,55 и 0,42 мкм. Эти полосы безызлучательно релаксируют на два уровня 2A и E за время в несколько пикосекунд. Уровни 2A и E термализуются за время ~10^-9 с. Уровень E заселен больше и поэтому больше подходит на роль верхнего лазерного уровня. Однако скорость релаксации в основное состояние уровней 2A и E мала, т.к. оба перехода запрещены как электродипольно, так и по спину (на переходе между состояниями ²Е и 4А₂ происходит изменение суммарного спина)

Лазерная генерация в рубине происходит на переходе Е → ⁴А₂ (линия R₁) c длиной волны 694,3 нм. Населенность уровня 2А также велика (расстояние

между 2А и Е мало, ~29 см^-1). Поэтому можно получить генерацию и на переходе 2А → ⁴А₂ (линия R₂) с длиной волны 692,8 нм применяя в резонаторе дисперсионные элементы. Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме. Линия R₁ однородно уширена за счет взаимодействия Cr³⁺ с фононами. Ширина перехода составляет 11 см^-1 при Т=300 К.

Рубиновые лазеры обычно работают в импульсном режиме. Для накачки используется импульсная ксеноновая лампа среднего давления (~500 мм рт. ст.) с эллипсоидным отражателем. Диаметр стержня составляет 5 – 10 мм, длина – 5 – 20 см. Рубиновый лазер имеет следующие выходные параметры: 1) в режиме модуляции добротности его мощность в одиночном гигантском импульсе длительностью 10 – 20 нс составляет 10 – 50 МВт; 2) в режиме синхронизации мод пиковая мощность в импульсе длительностью ~10 пс равна нескольким гигаваттам. При накачке ртутными лампами высокого давления лазеры на рубине могут работать и в непрерывном режиме.

Поскольку рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме, пороговая энергия накачки на порядок больше, чем для Nd:YAG лазера тех же размеров. Рубиновые лазеры были вытеснены из сферы практических применений неодимовыми, но применяются в некоторых научных приложениях.

Неодимовые лазеры

Неодимовые лазеры являются самыми популярными из твердотельных. В этих лазерах активной средой являются кристалл Y₃Al₅O₁₂ [сокращенно YAG], в котором часть ионов Y³⁺ замещена ионами Nd³⁺. Используется также фосфатное или силикатное стекло, легированное ионами Nd³⁺. Типичные уровни легирования составляют порядка 1 ат. %. Более высокие уровни легирования приводят к тушению люминесценции, а также к внутренним напряжениям в кристаллах, т.к. радиус иона Nd³⁺ примерно на 14% больше радиуса Y³⁺. Уровни легирования стекла несколько выше, чем для Nd:YAG (~3 вес. % Nd₂O₃).

Nd:YAG-лазер

Упрощенная схема энергетических уровней Nd:YAG представлена на рис.

Эти уровни обусловлены переходами трех 4f электронов внутренней оболочки иона Nd³⁺. Эти электроны экранируются внешней электронной оболочкой (5s², 5p⁶) и влияние кристаллического поля мало. Поэтому спектральные линии соответствующих переходов относительно узки.

(Символ, характеризующий уровень в приближении LS – связи, имеет вид ^2S+1L_J, где S – суммарное спиновое квантовое число, L – орбитальное квантовое число, J – суммарное квантовое число углового момента. Разрешенные значения L, а именно: L=0,1,2,3,4,5,6, …, обозначаются прописными буквами соответственно S,P,D,F,G,H,I,…).

Основное состояние иона Nd³⁺ есть ⁴I_9/2. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм, хотя другие высоко лежащие полосы поглощения также играют важную роль. Эти полосы связаны быстрой (~10^-7 c) безызлучательной релаксацией с уровнем ⁴F_3/2, откуда идет релаксация на нижние уровни (а именно ⁴I_9/2, ⁴I_11/2, ⁴I_13/2). Релаксация с уровня ⁴F_3/2 идет медленно (~2∙10^-4 c), уровень запасает большую долю энергии накачки, поэтому данный уровень подходит на роль верхнего лазерного уровня. Наиболее интенсивным переходом с уровня ⁴F_3/2 является переход ⁴F_3/2→⁴I_11/2. Уровень ⁴I_11/2 быстро (~10^-9 c) релаксирует к основному состоянию ⁴I_9/2. Энергетический зазор между ⁴I_11/2 и ⁴I_9/2 на порядок больше kT. В силу быстрой релаксации и статистики Больцмана уровень ⁴I_11/2 можно считать практически пустым. Этот уровень подходит на роль нижнего лазерного уровня.

Таким образом, в кристалле Nd:YAG переход ⁴F_3/2→⁴I_11/2 хорошо подходит для получения лазерной генерации по четырехуровневой схеме. В действительности необходимо принять во внимание, что уровень ⁴F_3/2 расщеплен кристаллическим полем на два подуровня R₁, R₂ с зазором ΔE≈88 см^-1. Уровень ⁴I_11/2 также расщеплен на шесть подуровней. Лазерная генерация происходит с R₂ уровня ⁴F_3/2 на один из подуровней ⁴I_11/2, этот переход имеет длину волны λ=1,064 мкм (ближний ИК диапазон).

Используя дисперсионную систему (призма, решетка) можно получить генерацию на многих других переходах: ⁴F_3/2→⁴I_11/2 (λ=1,05 – 1,1 мкм), ⁴F_3/2→⁴I_13/2 (λ=1,319мкм – наиболее интенсивная линия в этом случае) и переходе ⁴F_3/2→⁴I_9/2 (λ около 0,95 мкм). Лазерный переход с λ=1,06 мкм при комнатной температуре однородно уширен (взаимод. с фононами решетки), Δν=6,5 см^-1=195 ГГц при температуре 300 К. Это делает Nd:YAG подходящим для генерации в режиме синхронизации мод. Большое время жизни верхнего лазерного уровня позволяет Nd:YAG быть весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности.

Nd:YAG лазеры могут работать как в непрерывном, так ив импульсном режиме. В обоих случаях используются линейные лампы в схемах с одноэллипсным осветителем, в схеме плотной упаковки или многоэллипсным осветителем. Для работы в импульсном и непрерывном режимах применяются соответственно ксеноновые лампы среднего давления (500 – 1500 мм рт. ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4 – 6 атм.). Размеры стержней обычно такие же, как и у рубинового лазера.

Выходные параметры Nd:YAG - лазера следующие: 1) в непрерывном многомодовом режиме выходная мощность до 200 Вт; 2) в импульсном лазере с большой скоростью повторения импульсов, 50 Гц, средняя выходная мощность порядка 500 Вт; 3) в режиме модулированной добротности максимальная выходная мощность до 50 МВт; 4) в режиме синхронизации мод длительность импульса до 20 пс. Как в импульсном, так и в непрерывном режиме дифференциальный КПД около 1-3%. Nd:YAG лазеры широко применяются в различных областях: 1) измерение расстояний (дальномеры и прицельные устройства); 2) применение в науке; 3) обработка материалов (резка, сверление, сварка и т.д.), 4) применение в медицине.

Стекло с неодимом

Как уже отмечалось, электроны незаполненной 4f оболочки экранированы внешними 5s- и 5p-электронами. Поэтому в стекле с неодимом уровни энергии располагаются так же, как и в кристалле Nd:YAG. И наиболее интенсивный лазерный переход имеет длину волны λ≈1,06 мкм. Однако в стекле из-за локальной неоднородности кристаллического поля лазерные переходы сильно уширены. В частности, основной лазерный переход с λ≈1,06 мкм примерно в 30 раз шире. Это благоприятно для работы в режиме синхронизации мод и для импульсного режима, т.к. в единичном объеме может быть запасено больше энергии. Поскольку полосы поглощения также шире, то концентрация ионов неодима делается вдвое больше, чем в Nd:YAG, что увеличивает эффективность накачки приблизительно в 1,6 раза в стержне тех же размеров.

Ограничения. Низкая теплопроводность (в 10 раз меньше, чем у Nd:YAG). Как следствие частота импульсов не более 5ц.

Характеристики: 1) выходная и пиковая мощность в режиме модулированной добротности сравнимы с Nd:YAG; 2) в режиме синхронизации мод можно получить импульсы вплоть до ~5 пс; 3) использование в качестве усилителей.