1.6. Твердотельные лазеры
Твердотельными называются лазеры, активной средой которых является либо диэлектрический кристалл, либо стекло. В твердотельных лазерах активными центрами выступают примесные ионы, введенные в кристалл. Чаще всего эти ионы принадлежат одной из групп переходных металлов, например Cr3+ или Nd3+. В этих ионах используемые для генерации переходы включают электронные уровни незаполненных внутренних оболочек, поэтому эти переходы слабо подвержены влиянию кристаллического поля, а время спонтанной релаксации попадает в миллисекундный диапазон.
Обе указанные особенности приводят к следующим важным последствиям для лазерной генерации. Во-первых, безизлучательные каналы релаксации слабы, а потому время жизни верхнего уровня tн, заполненного в результате инвертирования электронами, несколько больше времени спонтанной релаксации, хотя и попадает тоже в миллисекундный диапазон. А так как критическая скорость накачки Vc обратно пропорциональна tн (Vc = 1/tн ), то для ионов Cr3+ , например, Vc оказывается не слишком критичной, что позволяет обеспечить надежную накачку и лазерную генерацию. Ситуация для четырехуровневого Nd3+ похожа: здесь также параметр Vc имеет низкие значения. Поэтому названные ионы позволяют легко осуществить лазерную генерацию и наиболее часто используются в современных твердотельных лазерах.
Для создания заселенности верхних уровней накачки активной среды используют ксеноновые импульсные лампы. Технически система оптической накачки выполнена в виде отражателя 3 (рис.1.15) в корпусном исполнении, внутри отражатель имеет форму эллипса таким образом, что остальные детали: активный элемент 1 (активная среда), лампы накачки 2 находятся в фокусе эллипса. Оптическим резонатором служат противоположные полированные грани активного элемента (зеркала), на которые нанесен слой металла.
Рис. 1.15. Схемы оптической накачки в твердотельных лазерах:
а - схема однолампового отражателя; б - двухлампового отражателя;
1 - активный элемент; 2 -лампа накачки; 3 - отражатель
В качестве активного элемента в первом лазере использовался рубин (Al2O3, в котором ряд ионов алюминия замещены ионами Cr3+). Рубиновый лазер является примечательным примером трехуровневого лазера. В настоящее время эти приборы вытесняются лазерами на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната с добавкой ионов неодима (Nd: YAG) или на стекле с Nd.
1.6.1 Неодимовые твердотельные лазеры (Nd : yag)
Неодимовые лазеры - самые популярные из твердотельных лазеров. Активной средой в них является кристалл Y3 Al5 O12, в котором часть ионов Y3+ замещена ионами Nd3+ (~ 1 ат.% ).
На рис.1.16 представлена упрощенная схема энергетических уровней Nd: YAG и возможных переходов трех электронов внутренней 4f - оболочки ионов неодима. На их энергетические уровни не влияет кристаллическое поле из-за экранизации электронами внешних (5s2 и 5p6 ) оболочек. Поэтому эти энергетические уровни относительно узки. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм. Эти полосы безызлучательно связаны с уровнем 4 F3/2 (E3) быстрой релаксацией (~ 10-7 с). Из всех возможных переходов наиболее медленный - это переход 4 F3/2 - 4 I 11/2 . Поэтому уровень 4 F 3/2 (Е3) запасает большую часть энергии накачки и хорошо подходит на роль верхнего лазерного (рабочего) уровня. Поскольку уровень 4 I11/2 связан быстрой безызлучательной релаксацией в основное состояние 4 I9/2 (t = 10-9 c), то в хорошем приближении уровень 4I11/2 можно считать пустым, то есть этот уровень хорошо подходит на роль нижнего (рабочего) лазерного уровня (Е2). Из сказанного ясно, что переход 4F3/2 (E3) - 4 I11/2 (E 2) хорошо подходит для получения лазерной генерации в четырехуровневой схеме. Этот переход имеет длину волны l = 1,064 мкм (ближний ИК- диапазон).
Рис. 1.16. Упрощенная схема энергетических уровней кристалла Nd:YAG
Большое время жизни верхнего лазерного уровня (Е3) c t = 0,23 мс позволяет успешно работать в режиме модулированной добротности. Nd: YAG - лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. При работе в импульсном режиме для накачки используются ксеноновые лампы, в непрерывном - криптоновые. Размеры стержней такие же, как и у рубинового лазера. Выходные параметры:
1) в непрерывном многомодовом режиме Wл - до 500 Вт;
2) в импульсном режиме с большой частотой повторения импульсов 50 Гц и Wл - до 200 Вт;
3) в режиме РМД Wи достигает 50 МВт,
4) в режиме синхронизации мод до 20 нс КПД составляет 1 - 3 %. Такие лазеры нашли применение для военных целей, в науке (лазеры с РМД), в медицине, а наиболее широкое применение - в обработке материалов (резка, сверление, сварка, осаждение металлов и т.д.).