Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры отличаются от газовых принципиально только характером накачки. Для создания когерентного излучения используется оптическая накачка.

Накачка производится обычно через охлаждающую рабочее вещество жидкость и осуществляется с помощью излучения газоразрядных ламп, светодиодов, лазеров и т.п. Наиболее широко применяют ламповую накачку.

Обычно в конструкции твердотельного лазера (рис. 3.19) используются активный (лазерный) стержень 1 и лампа накачки 2 одинаковой («карандашной») конструкции. Зеркала 3 и 4 оптического резонатора разделены управляющим оптическим затвором 5. Для эффективного применения энергии оптической накачки стержень 1 и лампа 2 помещены в замкнутый рефлектор 6 эллиптической формы. При этом элементы 1 и 2 размещаются в фокусах эллиптического сечения рефлектора, что позволяет сконцентрировать энергию оптической накачки в объеме активной среды. Рефлектор 6 заполнен охлаждающей жидкостью, которая периодически прокачивается через лазер.

В качестве активной среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции.

Рисунок. 3.19 – Твердотельный лазер непрерывного действия (вариант конструкции)

Среди лазерных материалов наиболее представительной является группа ионных кристаллов с примесями. Кристаллы неорганических соединений фторидов (CaF₂, LaF₃, LiYF₄), оксидов (Al₂O₃) и сложных соединений (CaWO₄, Y₃Al₁₅O₁₂, Ca₅(PO₄)₃F) содержат в кристаллической решетке ионы активных примесей, редкоземельных (самария Sm²⁺, диспрозия Dy²⁺, тулия Tw²⁺, Tw³⁺, празеодима Pr³⁺, неодима Nd³⁺, эрбия Er³⁺, гольмия Нo³⁺), переходных (хрома Cr³⁺, никеля Ni²⁺, кобальта Со²⁺, ванадия V²⁺) элементов или ионов урана U³⁺. Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких процентов (по массе). Генерация возбуждается методом оптической накачки, причем энергия в основном поглощается примесными ионами. Рассматриваемые лазерные материалы отличаются высокой концентрацией активных частиц (10¹⁹­-10²¹ см^-3), весьма небольшой шириной линии генерации (0,001-­0,1 нм) и малой угловой расходимостью генерируемого излучения.

К недостаткам этих материалов следует отнести низкий (1­5%) коэффициент преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в системе «лампа накачки—кристалл», сложность изготовления лазерных стержней больших размеров и необходимой их оптической однородности.

Лазерные кристаллы с дозированными примесями выращиваются, как правило, направленной кристаллизацией расплава в специальных (кристаллизационных) аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность температуры расплава и скорости роста кристалла. Из выращенных кристаллов вырезаются цилиндрические стержни длиной до 250 мм и диаметром 2-20 мм. Торцы стержней шлифуются, а затем полируются. В большинстве случаев стержни изготавливаются с плоскими торцами, параллельными друг другу, с точностью 3-5", и строго перпендикулярными геометрической оси стержня. Возможно применение торцов сферической или другой (нестандартной) конфигурации.

В качестве активного элемента в первом промышленном лазере использовался рубин.

Рубин (от лат. ruberus - красный и позднелат. rubinus) является разновидностью минерала корунда (Al₂O₃), но содержит примеси ионов хрома Cr³⁺ (от сотых долей до 2%, как правило, 0,05%), которые замещают ионы алюминия Al³⁺ и (в отличие от бесцветного корунда) определяют красный цвет рубина. Длина волны лазерных колебаний рубина λ = 694,3 нм.

В настоящее время твердотельные лазеры создаются в основном на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната с добавкой ионов неодима (Nd: YAG). Активной средой в них является кристалл Y₃Al₅O₁₂, в котором часть ионов Y³⁺ замещена ионами трёхвалентного ниодима Nd³⁺.

Nd: YAG—лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. При работе в импульсном режиме для накачки используются ксеноновые лампы (при мощности накачки ~10 Вт), в непрерывном – криптоновые (при мощности накачки ~100 Вт). Размеры стержней такие же, как и у рубинового лазера.

Выходные параметры мощности:

в непрерывном многомодовом режиме — до 500 Вт;

в импульсном режиме с большой частотой повторения импульсов (50 Гц) — до 200 Вт;

в режиме РМД — до 50 МВт.

В устройствах CtP используются лазеры мощностью от 1 Вт до нескольких кВт. КПД составляет от 3 (при использовании для накачки ламп) до 10% (при применении для накачки диодов). Глубина резкости при этом достигает 60 мкм. Используют лазеры с длиной волны 1064 нм, а также с удвоенной частотой (532 нм).

Для эффективного использования энергии излучения лампы накачки применяют замкнутый рефлектор, заполненный охлаждающей жидкостью, прокачиваемой через его объем. Одной из наиболее эффективных форм рефлектора является эллиптическая. При такой форме сечения рефлектора лампу накачки и активный элемент располагают в фокусах эллиптического сечения, что обеспечивает максимальную концентрацию световой энергии накачки в толще активного элемента.

В качестве зеркал оптического резонатора в твердотельном лазере могут использоваться оптически обработанные торцы активного элемента, в случае необходимости снабжаемые отражающими покрытиями для получения требуемых значений коэффициентов отражения и пропускания. Если необходимо получить специальные свойства лазерного излучения (характер поляризации, модовый состав и т.п.), зеркала оптического резонатора могут быть и внешними, что также может быть обусловлено технологией оптической обработки и нанесения покрытий.

Активный элемент и лампа накачки твердотельного лазера обычно требуют жидкостного охлаждения в тех случаях, когда мощность излучения лазера не является достаточно малой (на уровне милливатт). Это приводит к усложнению конструкции, так как через охлаждающую жидкость будет проходить энергия накачки, которая не должна заметно поглощаться  этой жидкостью.

Обычно твердотельные лазеры, кроме источника питания, комплектуются специальной системой охлаждения с насосом и теплообменником, что ведет к снижению суммарного коэффициента полезного действия и вызывает необходимость выполнения дополнительных профилактических работ при эксплуатации.

Вариант исполнения ND:YAG­лазера с ламповой накачкой приведен на рис. 3.20. Твердотельные ND:YAG­лазеры с ламповой накачкой были первыми лазерными источниками, примененными в системах CtP для флексографии. Сегодня они установлены во многих системах, ибо являются проверенным надежным решением. Компоненты таких лазеров отрабатывались в течение нескольких десятилетий, и сегодня их производством занимаются сотни компаний во всем мире.

Рисунок 3.20. Вариант исполнения ND:YAG-лазера с ламповой накачкой: 1 — заднее зеркало; 2 — лампа накачки; 3 — кристалл Nd:YAG; 4 — отражатель; 5 — заслонка; 6 — выходное зеркало; 7 — модулятор света; 8 — фокусирующая оптическая система

 Ряд недостатков, присущих этим лазерам, вынудил в некоторых случаях искать им замену. Развитие и совершенствование лазерной техники в 90­е годы. привело к распространению твердотельных лазеров, где ламповый источник света был заменен полупроводниковыми лазерами (диодами). Один из вариантов оптической системы таких лазеров представлен на рис. 3.21.

Рисунок 3.21– Вариант исполнения Nd:YAG-лазера с полупроводниковой накачкой: 1 – заднее зеркало; 2 – лазерные диоды оптической накачки; 3 – кристалл Nd:YAG; 4 – корпус; 5 – заслонка; 6 – выходное зеркало, 7 – модулятор света; 8 – фокусирующая оптическая система

 

В лазерах с полупроводниковой (диодной) накачкой вместо ламп используются мощные лазерные диоды, излучающие  свет именно той  длины волны (808 нм), которая необходима для генерации лазерного излучения кристаллом Nd:YAG­лазера. Главное отличие этих лазеров от лазеров с ламповой накачкой заключается в значительно более высокой (на порядок) эффективности преобразования излучения мощных лазерных диодов, что позволяет избежать высокого электропотребления и обойтись без интенсивного внешнего водяного охлаждения (внутренний контур водяного охлаждения активного тела лазера все же необходим). Все это делает системы записи изображения с такими лазерами более удобными в эксплуатации.

Мощность лазеров с полупроводниковой накачкой позволяет расщепить пучок лазерного излучения на несколько раздельно управляемых пучков, причем без ухудшения качества излучения. Вследствие этого такие лазеры незаменимы для построения многолучевых оптических систем записи, используемых для повышения производительности, поскольку  несколько лучей экспонируют материал параллельно.

В устройствах с расщеплением лазерного пучка (в отличие от систем, где используются два различных лазера) с течением времени на растровом изображении не появляется полошения. Известно, что в лазерах через какое­то время может происходить слабое отклонение лазерного пучка, которое выражается в небольшом (в несколько микрон) смещении пятна записи на материале в произвольном направлении. Но когда два луча получаются посредством  расщепления единого пучка, это смещение для обоих пятен записи происходит синхронно и не приводит к проблемам. Если же применены два лазера, то возможно рассогласование пятен, которое приводит к появлению полос на изображении. Этот эффект можно устранить только повторной калибровкой, которая может быть выполнена лишь силами специально обученного персонала.

Твердотельные лазеры имеют следующие достоинства:

небольшая длина волны позволяет получить пятно диаметром менее 10 мкм и значительно повысить разрешение записи;

минимальные потери при прохождении по оптоволоконным световодам и легкость модуляции упрощают конструкцию лазерных установок;

значительное число известных материалов (в особенности металлов) имеют высокий коэффициент поглощения в области излучаемых длин волн, что облегчает разработку формных пластин и повышает эффективность лазерной записи.

По сравнению с СО₂ лазерами они работают на значительно более короткой длине волны, что позволяет фокусировать излучение твердотельных лазеров в пятно меньшего размера. По сравнению с аргоновыми лазерами они обеспечивают в 2-3 раза большее значение коэффициента полезного действия. К их преимуществам относятся также компактность, мобильность и т.д.

По сравнению с газовыми, лазеры на гранате являются более дорогими и при эксплуатации требуют большего внимания к профилактике – необходимы периодическая замена ламп накачки, поддержание чистоты охлаждающей жидкости, через которую осуществляется накачка. Кроме того, в лазере на гранате существуют некоторые трудности с обеспечением стабильности излучения.

В CtP-устройствах, оснащенных твердотельными лазерами, компании предлагают фотополимеризующиеся и серебросодержащие формные пластины, а также пластины с гибридными и термочувствительными слоями. При этом под воздействием лазера с длиной волны 1064 нм термочувствительные слои могут подвергаться термодеструкции, абляции или термоструктурированию.

Твердотельными YAG-лазерами оснащаются CtP-устройства Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) и многие другие. Однако в последнее время все чаще вместо твердотельных лазеров используются лазерные диоды.

В ФНА твердотельные лазеры практически не применяются.