7. Основные требования, предъявляемые к матрицам активных сред твердотельных лазеров.

1. Высокое оптическое качество – однородность, прозрачность, желательно – изотропность.

2. Легкое введение активатора в требуемых концентрациях без изменения свойств.

3. Высокая теплопроводность.

4. Высокая лучевая и фотохимическая стойкость.

5. Технологичность.

6. Умеренная стоимость.

В качестве матриц используют кристаллы и стекла, а с недавнего времени и оптические керамики.

В качестве примеров можно привести аллюмо-иттриевый гранат, силикатные и фосфатные стекла, сапфир, кристаллы иттрий-литий-фтор и многие другие.

8. Рубиновый лазер.

Исторически генерация была впервые получена в рубиновом лазере в 1960 г. Активной средой в этом лазере является диэлектрический кристалл Al₂O₃(корунд), в котором часть ионов Al³+замещены на ионы Cr³⁺(доля ионов хрома составляет порядка 0.05 %). В природном рубине доля ионов хрома на порядок выше, поэтому для лазеров кристаллы специально выращиваются. Наличие хрома придает кристаллу розовый цвет из-за наличия у него полос поглощения в фиолетовой и зеленой спектральных областях (природный рубин имеет ярко-пурпурную окраску). Накачка и генерация в рубиновом лазере осуществляется именно на переходах между энергетическими состояниями ионов хрома, находящихся в электрическом поле кристаллической решетки корунда.

С хема энергетических состояний иона хрома в Al₂O₃ приведена на рисунке. Основным состоянием является ⁴А₂ (обозначения состояний здесь даются в приближении LS-связи). Наиболее высокорасположенными уровнями энергии являются состояния ⁴F₁ и ⁴F₂, которые вследствие эффекта Штарка расщеплены на ряд близкорасположенных уровней, давая широкие полосы поглощения в зеленой и фиолетовой спектральных областях с центрами на длинах волн 0.55 мкм и 0.42 мкм соответственно. Попав из основного состояния в одно из состояний ⁴F₁ или ⁴F₂, электрон быстро за времена порядка пс безызлучательно релаксирует в состояния или . Расстояние между уровнями и составляет 29 см^-1, а переходы из них в основное состояние запрещены в приближении электрического диполя. Это приводит к быстрому установлению термодинамического равновесного распределения населенностей по уровням и , причем населенность уровня лишь ненамного меньше населенности уровня . Переходы из состояний и в основное состояние в приближении электрического диполя запрещены, что приводит к большим временам жизни этих состояний, попадающих в миллисекундный диапазон.

Таким образом видно, что в рубине выполняются все необходимые условия для реализации трехуровневой схемы накачки. Генерация происходит на переходах →⁴А₂ (длина волны 692.8 нм) и →⁴А₂ (длина волны 694.3 нм). Из-за большей населенности уровня генерация в свободном режиме возникает на переходе →⁴А₂. Для генерации на переходе →⁴А₂ можно использовать селективные резонаторы.

В рубиновом лазере используется оптическая накачка. В качестве источников накачки используются импульсные ксеноновые или ртутные лампы, широкие спектры излучения которых (ширины полос излучения составляют порядка 100 нм) перекрывают сине-зеленую область спектра.