6.2X2. Стекло с неодимом [7]

Как мы уже отмечали, основные переходы иона Nd³+ — это переходы, совершаемые тремя электронами, принадлежащими оболочке 4/. Эти электроны экранируются восемью внешни ми %s~ и 5р-электронами. Соответственно уровни энергии в стекле с не­одимом в основном располагаются так же, как и в кристалле Nd; YAG. Поэтому и наиболее интенсивный лазерный переход имеет длину волны К ж 1,06 мкм. Однако в стекле из-за неод­нородного уширения, обусловленного локальными неоднородно-стями кристаллического поля стеклянной матрицы, линии ла­зерных переходов намного шире. В частности, основной лазер­ный переход с X =1,06 мкм примерно в 30 раз шире, поэтому максимальное сечение перехода приблизительно в 30 раз мень­ше, чем в кристалле Nd : YAG. Разумеется, более широкая ли­ния благоприятна для работы в режиме синхронизации мод, в то время как меньшее сечение необходимо для импульсных вы­сокоэнергетических систем, поскольку «пороговая» инверсия для паразитного процесса УСИ (усиление спонтанного излучения) [см. (2.153)] соответственно увеличивается. Таким образом, по сравнению с Nd : YAG в стекле с неодимом до включения УСИ может быть запасено в единичном объеме больше энергии. На­конец, поскольку полосы поглощения в стекле с неодимом также много шире, чем в кристалле Nd : YAG, а концентрации ионов Nd³+ обычно вдвое больше, эффективность накачки стержня из стекла с неодимом приблизительно в 1,6 раза больше, чем в стержне из Nd: YAG тех же размеров (см, табл. 3.1). Однако наравне с этими преимуществами стекла с неодимом по сравне­нию с кристаллом Nd: YAG стекло обладает весьма серьезным ограничением, связанным с его низкой теплопроводностью, ко­торая приблизительно в десять раз меньше, чем в Nd : YAG. Это существенно ограничивает применения лазеров на стекле с нео­димом импульсными системами при небольшой * частоте повто­рения импульсов (< 5 Гц), чтобы избежать проблем, связанных с нагревом стержня.

С точки зрения конструктивных особенностей, т. е. имея в виду схемы накачки и размеры стержня, наиболее часто исполь­зуемые лазеры на стекле с неодимом существенно не отличают­

ся от лазеров на основе Nd : YAG. Однако, как мы увидим ниже, для приложений, которые требуют высокой энергии, активный элемент из стекла можно сделать много больших размеров, чем II

из Nd; YAG. Благодаря значительно более низкой температуре плавления и некристаллической структуре стекло можно выра- стить намного легче, чем YAG. Лазеры на стекле имеют следую- щие характеристики; 1) выходная энергия и пиковая мощность лазера в режиме модулированной добротности сравнимы с со- ответствующими параметрами Nd: YAG-лазера при сравнйтель- но одинаковых размерах стержня; 2) в режиме синхронизации мод можно получать очень короткие импульсы (вплоть до ~ 5 пс), поскольку ширина лазерного перехода в стекле зна- чительно шире, чем v Nd : YAG. Лазер на стекле с неодимом ча- II сто применяют в тех приложениях, для которых импульсный ла- зер должен работать при низкой частоте повторения импульсов. Это, например, необходимо для некоторых дальномеров, приме- няемых в военных целях, и неодимовых лазеров, предназначен- ных для научных исследований. Важным применением лазеров на неодимовом стекле является использование их в качестве усилителей в лазерных системах для получения очень высокой j

^{энергии в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу.}

В настоящее время уже создана лазерная система на * основе ;

стекла с неодимом, дающая импульсы с пиковой мощностью бо- j

лее 100 ТВт и полной энергией ~ 100 кДж («Нова»-лазер). ¹

Этот лазер, который в настоящее время дает наибольшую энер­гию в импульсе и максимальную мощность среди всех лазеров, состоит из нескольких усилителей на основе стекла с неодимом, самый большой из которых представляет собой стеклянный диск толщиной около 4 см и диаметром порядка 75 см.

! I

6.2.2.3. Другие кристаллические матрицы

В качестве матриц для иона Nd³+ использовались многие другие кристаллические материалы, такие, как YALO [YAIO3], YLF [YL1F4] и GSGG [GdsScgGasOis]. Ради краткости изложения,

а также потому, что этот кристалл представляет особый инте- рес, мы ограничимся кратким рассмотрением кристалла граната ¹ GSGG (гадолиний-скандий-галлиевый гранат) [41]. В этой ма- трице примесный ион Nd³+ замещает редкоземельный ион Gd³+, II

который имеет аналогичный ионный радиус. Важным преиму- ществом этого граната является то, что он допускает эффектив- ную соактивацию ионом Сг³⁺, который замещает имеющие при- j мерно такие же размеры ионы Sc³+ или Ga³⁺. Таким образом, благодаря иону Сг³⁺ с полосами поглощения ⁴Г₂ и ^АТ_Х (анало- ! гичные полосам ⁴F₂ и ^AF\ в рубине) происходит очень сильное \

поглощение излучения накачки в синей и зеленой областях спек­тра, где эффективное поглощение ионов Nd³" мало (см. рис. 3.5,6). После этого возбужденный ион Сг³+ рслаксирует в электронно-колебательное состояние, соответствующее дну энер­гетической кривой <Г₂ (рис. 6.3). Широкая, лишенная тонкой структуры, полоса излучения, связанная с электронно-колеба­тельным переходом v«

Л₂у перекрывается с двумя основными _Nd3+ полосами поглощения иона

_о³_*

Nd³⁺ с центрами соответ­ственно на Х=0,73 и 0,8 мкм. Вследствие такого хорошего перекрытия спектров может эффективно происходить пе-

, ренос энергии от ионов Сг³⁺

— к ионам Nd³+ фёрстеровско-

го типа [см. (2.121)]. При этом время переноса оказы­вается достаточно коротким (~ 17 мкс), так что почти вся энергия, поглощенная ионами Сг³^-, переходит к ионам Nd³⁺. Это позволяет эффективно использовать зе­леную и синюю области из­лучения лампы, что в свою очередь ведет к увеличению КПД накачки приблизи­тельно в три раза (см. табл. 3.1). Столь высокий КПД делает кристалл Nd : Сг : GSGG особенно привлекательным в качестве материала для получения лазерной генерации на длине волны излучения иона Nd⁸⁺. Прин­ципиальное ограничение использования этого материала связано с проблемами распределения тепла (наведенные тепловые лин­зы и наведенное двулучепреломление в стержне), возникаю-

по-видимому, вследствие увеличенного количества тепло­ты, которое должно быть рассеяно за счет поглощения в синей и фиолетовой областях спектра. Таким образом, Nd : Сг: GSGG оказывается ценным альтернативным материалом по отношению к Nd: YAG, но крайней мере при ограниченной средней выход­ной мощности (—20 Вт).