I.2 Неодимовые лазеры

Трехвалентный ион неодима легко активирует многие матрицы. Из них самыми перспективными оказались кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂ (ИАГ) и стекла. Накачка переводит ионы Nd⁺³ из основного состояния ⁴I₉/₂ в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбужденных состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки осуществляется быстрая передача энергии возбуждения на метастабиль-ный уровень ⁴F_3/2 (рис. 1). Время жизни этого уровня составляет 0,2 мс в ИАГ и 0,7 мс в стекле. Наибольшей вероятностью обладает лазерный переход ⁴F_3/2  ⁴I_11/2 (λ = 1,06 мкм). Энергетическая щель между состояниями ⁴I_11/2 и ⁴I_9/2, равная примерно 2000 см^-1, обеспечивает четырехуровневый характер генерации неодимового лазера.

Чем ближе к уровню ⁴F_3/2 расположены полосы поглощения, тем выше КПД генерации. Достоинством кристаллов ИАГ является наличие интенсивной красной линии поглощения.

В стеклах из-за неоднородности локальных электростатических полей ближайшего окружения линия люминесценции 1,06 мкм неоднородно сильно уширена (Δλ≈30 нм). В кристаллах ИАГ однородное ушерение составляет примерно 0,7 нм.

Сильное неоднородное уширение приводит к тому, что неодимовое стекло имеет меньшее усиление, а соответствующие лазеры более богатую модовую структуру, чем гранат, активированный неодимом. Вместе с тем стекло допускает большее (до 6%) введение активных центров. Кристаллы ИАГ активируются до концентрации 1,5% в стехиометрическом замещении иона Y³⁺ на Nd⁺³. Обычно области применения неодимовых лазеров на гранате и стекле существенно различны. В силу большей теплопроводности и однородности гранатовые лазеры легко работают в непрерывном и в импульсно-периодическом режимах. Достигнуты средние мощности в несколько сотен ватт. Неодимовое стекло в силу больших объемов и более высокой концентрации активатора хорошо накапливает энергию. Поэтому именно стекло служит активной средой импульсных лазеров высокой энергии. Достигнуты значения импульсной энергии в десятки килоджоулей.

В случаях, когда существенно высокое качество излучения, используется схема «задающий генератор — усилитель мощности». В этой схеме задающим генератором является часто гранатовый лазер, а усилителем мощности (или оконечным каскадом усиления мощности) — лазер на неодимовом стекле.

Неодимовые лазеры работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей 0,5 пс. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стекол.

При создании неодимовых лазеров реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к так называемой свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки. Широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.

В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1—10мс, энергия излучения в схемах усиления мощности достигает многих килоджоулей. Характерная длительность импульсов включаемой добротности составляет около 10 нс при использовании для модуляции добротности электрооптических устройств. На рис.2 приведена схема неодимового лазера с модулированной добротностью. Характерная энергия лазерного генератора такого типа составляет 1—2 Дж.

Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющихся фильтров как для модуляции добротности (0,1 —10 не), так и для синхронизации мод (1 —10 пс). Схема лазера с самосинхронизацией мод для генерации импульсов пикосекундной длительности с помощью насыщающегося фильтра приведена на рис. 3. Для того чтобы резонатор лазера обладал только одним четко выраженным периодом межмодовых биений, грани оптических элементов этой схемы слегка отклонены от нормали к оптической оси резонатора, а входной и выходной торцы активного элемента расположены под углом Брюстера к этой оси. Такое расположение либо исключает дополнительные отражения, которые может испытывать излучение при распространении от зеркала к зеркалу внутри резонатора лазера, либо отклоняет отраженные лучи от оптической оси резонатора и тем самым исключает образование дополнительных резонаторов со своим периодом межмодовых биений внутри основного. Характерная энергия цуга импульсов синхронизированных мод составляет в лазерных генераторах такого типа примерно 1—2 Дж.

Стекло является прекрасным оптическим материалом, технология получения которого хорошо разработана. Из стекла могут быть изготовлены детали любой формы и размера от волокон диаметром в несколько микрометров до дисков диаметром в несколько метров. Но главным достоинством стекла является его высокая оптическая однородность. Градиент показателя преломления хорошего лазерного стекла составляет ± (0,5—2) • 10^-8 см^-1.. К сожалению, теплопроводность стекла низка. Излучение накачки неоднородно нагревает стекло. В силу низкой теплопроводности это приводит к возникновению в стекле неоднородного температурного поля и, следовательно, термоупругих напряжений. Последние вызывают оптические искажения.

Так как для получения высокой направленности излучения оптическая однородность стекла должна сохраняться во время генерации, термооптическая константа

W= β + α (n-1), (3)

где β = dп/dТ — температурный коэффициент показателя преломления п и α — температурный коэффициент расширения, должна быть предельно малой. Достоинством стекол по сравнению с кристаллами является возможность выбором состава стекла снижать величину W до значений, меньших 10^-7 К^-1, в относительно ши­роком температурном интервале (так называемые атермальные стекла). Для кристаллов ИАГ значения W на два-три порядка выше, что, правда, частично компенсируется их существенно более высокой теплопроводностью.

Исключительно важное значение имеет лучевая стойкость активного вещества лазера. Без создания достаточно стойких прозрачных материалов, выдерживающих большие потоки лазерного излучения без разрушения и нарушения оптической однородности, невозможно создание надежно работающих лазеров большой мощности. В отличие от газовых лазеров, прежде всего СO₂-лазеров, где слабым местом в смысле оптического разрушения обычно являются окна газовых кювет и зеркала, для твердотельных лазеров существенной является лучевая стойкость материала активной среды.

К настоящему времени наибольшей лучевой стойкостью обладают неодимовые стекла, не содержащие металлических включений (платина, железо и т. п. примеси технологического происхождения). В режиме свободной генерации (длительность им­пульса излучения 0,1 — 1 мс) порог разрушения составляет 10³—10⁴ Дж/см². Для импульсов модулированной добротности (1 — 10 не) для лучших из стекол пороговое значение плотности энергии излучения, разрушающей торцы активных элементов, составляет несколько сотен джоулей на квадратный сантиметр. Это справедливо, однако, при малом пятне облучения (фокусировка практически в точку). При большом поперечном сечении (≥ 1 см²) облучаемой области порог разрушения снижается на порядок и более, главным образом в силу вероятности попасть под излучение такому дефекту материала, который легко инициирует лавинно нарастающее разрушение. Для импульсов длительностью, меньшей 1 нс (синхронизованные моды), пороги разрушения составляют единицы джоулей на квадратный сантиметр.

Физические процессы, лежащие в основе механизмов разрушения твердых тел и стекол лазерным излучением, весьма разнообразны. Отметим здесь только роль эффекта так называемой самофокусировки, заключающегося в том, что интенсивное лазерное поле так меняет показатель преломления прозрачного материала, что в нем образуется некая эффективная линза, увеличивающая плотность поля в среде. Последнее, в свою очередь, вызывает увеличение фокусировки излучения, его даль­нейшую концентрацию и, в конце концов, разрушение материала.

Склонность оптических материалов к самофокусировке характеризуется нелинейным показателем преломления материала п_г. С учетом влияния поля показатель преломления среды может быть в первом приближении записан в виде

п = п₀ + п₂Е^г (20.2)

где n₀ — линейная часть показателя преломления, не зависящая от амплитуды электрического поля лазерной волны Е.

Как и термооптическая константа W, показатель преломления п₂ является важным параметром, характеризующим оптические свойства активного элемента твердотельного лазера. Для лучших лазерных стекол n₂ ≤ 10^-13 СГСЭ, для граната.