6.2. Твердотельные лазеры

Твердотельными называются, как правило, лазеры, активной средой которых является либо диэлектрический кристалл, либо стекло. Полупроводниковые лазеры мы рассмотрим отдельно, поскольку они имеют совсем другие механизмы накачки и гене­рации. В твердотельных лазерах активными центрами являются, как правило, примесные ионы, введенные в кристалл. Обычно такой ион принадлежит одной из групп переходных элементов Периодической системы элементов Менделеева (например, ионы переходных металлов, особенно Сг³+ или ионы редкоземельных элементов, главным образом Nd³+ или Ег*+). Используемые для ге­нерации переходы включают электронные уровни незаполненных внутренних оболочек. Поэтому такие переходы слабо подвер­жены влиянию кристаллического поля. Кроме того, эти переходы запрещены в приближении электродипольного взаимодействия. Поэтому время спонтанной релаксации попадает в миллисекунд-ный, а не в наносекундный диапазон, как в случае электроди-польно разрешенных переходов. Обе указанные выше особенно­сти приводят к следующим важным последствиям для лазерной генерации. Во-первых, безызлучательные каналы релаксации довольно слабы. Следовательно, время жизни верхнего уров­ня т примерно равно спонтанному времени жизни, т. с. оно попадает в миллисекундный диапазон. Поскольку для трехуров­невого лазера (такого, как рубин с ионами Cr^{3 j} или ионы Ег³+ на переходе Я =1,54 мкм) критическая скорость накачки W_Cp равна 1/т [см. (5.40)], величина W_cp оказывается достаточно малой, чтобы обеспечить лазерную генерацию. Во-вторых, ши­рина линии перехода Д\"о относительно невелика, поскольку ме­ханизмы уширения относительно неэффективны (см. рис. 2.9). Для четырехуровневого лазера (такого, как на ионах Nd³⁺ или Но^3-*^-) пороговая скорость накачки W_cp пропорциональна

~ 1/отспонт. Согласно (2.116) и (2.80), имеем 1/ат_СПонт ~ Av₀, a небольшая ширина лазерной линии опять же подразумевает низкие значения пороговой скорости накачки.

6.2.1. Рубиновый лазер [1]

Этот лазер был первым, на котором была осуществлена гене­рация (Т. X. Майман, июнь 1960 г. [2, 3]) и который все еще находит применение. Рубин, сотни лет известный как природный драгоценный камень, представляет собой кристалл А1₂0₃ (ко­рунд), в котором ряд ионов А1³⁺ замещены ионами Сг³⁺. Кри­сталлы рубина, применяемые в лазерах в качестве активной среды, об'ычно получают путем выращивания из расплава смеси А1₂0₃ и небольшой части Сг₂0₃ (~ 0,05 вес. %). Без добавления Сг₂0₃ формирующийся кристалл (сапфир) становится бесцвет­ным, и необходимо добавить совсем немного Сг₂0з, чтобы кри­сталл приобрел розовый оттенок (розовый рубин) вследствие наличия у ионов Сг³'" зеленой и фиолетовой полос поглощения. Заметим, что в природных драгоценных камнях концентрация Сг³+ приблизительно на порядок больше, чем в искусственных, что придает им насыщенную красную окраску (красный рубин).

Энергетические уровни рубина образуются за счет трех элек­тронов во внутренней 3d оболочке иона Сг³+, находящихся под действием октаздрического поля решетки А1₂0з.,На рис, 6.1 при­ведены основные уровни, представляющие интерес для лазер­ной генерации.'Используемые здесь обозначения для уровней

получаются из теоретико-группового анализа состояний ионов в кристаллах и в дальнейшем здесь обсуждаться не будут. Для нашей цели достаточно заметить, что верхний индекс слева от каждой буквы указывает на мультиплетность состояния. Так, например, основное состояние ⁴А₂ имеет мультиплетность 2S + + 1=4, т. е. 5 = 3/2, где S — суммарное спиновое квантовое число трех З^-электронов. Отсюда следует, что в данном слу­чае параллельны все спины S этих электронов. Рубин имеет две основные полосы поглощения ^AF\ и ⁴Е₂, причем наиболее интен­сивное поглощение %а эти полосы из основного состояния ⁴А₂ происходит на длине волны соответственно 0,55 мкм (зеленая)

2А £

■л

I

I

£

и 0,42 мкм (фиолетовая) (см. также рис. 3.5,6). Эти полосы связаны очень быстрой (за время порядка пикосекунд) безызлу­чательной релаксацией с состоянием как 2Л, так и Е. Поскольку эти два последних состояния также связаны друг с другом очень быстрой безызлучательной релаксацией (~ 10"⁹ с), то их насе­ленности термализуются, что приводит к более высокой населен­ности уровня Е. Однако время релаксации в основное состояние как уровня 21, так и Е, довольно большое, поскольку, как уже отмечалось, оба перехода запрещены как электродипольно, так и по спину (на переходе между состояниями ²Е и М₂ происхо­дит изменение суммарного спина).

Из проведенного выше рассуждения теперь ясно, что на уро­вне Е накапливается большая доля энергии накачки, и, следова­тельно, этот уровень хорошо подходит на роль верхнего лазер­ного уровня. Действительно, лазерная генерация в рубине имеет место на переходе Е-*⁴А₂ (линия R\) с длиной волны %\ = = 694,3 им (красная). Однако следует заметить, что расстояние между 2Я и Е по частоте (~ 29 см^-1) мало по сравнению с kT/h (~ 208 см^-1), и, следовательно, населенность уровня 2Л сравнима с населенностью уровня Е или немного меньше ее. Кроме того, мы видим, что можно также получить генерацию и на переходе 21-^⁴Л₂ (линия R₂, Х₂ = 692,8 нм). Усиление на ли­нии R2 несколько меньше, чем на Я,. Поэтому лазерная генера­ция на линии R2 может быть получена с помощью, например, дисперсионных резонаторов, показанных на рис. 5.4, Из преды­дущего рассмотрения очевидно, что рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме и вместе с лазером на стекле с ионами Ег³+ он составляет наиболее примечательный пример трехуров­невого лазера. Заметим, что переход Ru как уже упоминалось в связи с рис. 2.9, преимущественно однородно уширен при ком­натной температуре. При этом уширение обусловлено взаимо­действием ионов Сг³* с фононами решетки. Ширина перехода, измеренная на полувысоте, составляет Avo = 11 см^-1 при Т — = 300 К. Это делает рубин привлекательным материалом для получения генерации коротких импульсов при работе в режиме синхронизации мод.

Рубиновые лазеры обычно работают в импульсном режиме. При этом для накачки используется импульсная ксеноновая лампа среднего давления (- 500 мм рт. ст.) в конфигурации, приведенной на рис. 3.1, б или (чаще) в конфигурации рис. 3.1, а. Диаметр стержня обычно составляет 5—10jam, а длина стер­жня 5—20 см. Рубиновый лазер имеет аде^Шцие 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 также и в непрерывном ре­жиме.

Рубиновые лазеры, когда-то очень популярные, теперь при­меняются менее широко, поскольку они были вытеснены такими конкурентами, как лазеры на основе Nd : YAG или лазеры на стекле с неодимом. Поскольку рубиновый лазер на самом деле

работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая энер­гия накачки приблизительно на порядок превышает соответст­вующую¹ величину для Nd : YAG лазера таких же размеров. Од­нако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некото­рых научных и технических приложениях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное пре­имущество перед Nd : YAG-лазером (например, в импульсной го­лографии, где Nd:YAG нельзя использовать из-за малой чув­ствительности фотопленки в более длинноволновом диапазоне генерации Nd: YAG-лазера). Стоит также отметить, что в про­шлом рубиновые лазеры активно использовались для военных целей при измерении дальности, где этот лазер теперь полностью заменен Nd: YAG-лазером и лазером на стекле с неодимом.