Твердотельные лазеры

Активная среда - либо диэлектрический кристалл, либо стекло

Концентрация частиц увеличивается на несколько порядков по сравнению с газом, что приводит к большим величинам коэффициента усиления и, как следствие, к большим выходным мощностям излучения твердотельных лазеров

Свойства твердотельных лазеров

Твердотельные лазеры Рубиновый лазер

Активная среда - диэлектрический кристалл Al2O3 (корунд), в котором 0.05% ионов Al3+ замещены на ионы Cr3+

Для лазеров кристаллы специально выращиваются

Ион хрома имеет широкие полосы поглощения в фиолетовой и зеленой спектральных областях

Накачка и генерация в рубиновом лазере осуществляется на переходах между энергетическими состояниями ионов хрома, находящихся в электрическом поле кристаллической решетки корунда

Состояния 4F1 и 4F2 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

Твердотельные лазеры: рубиновый лазер

Из состояний 4F1 или 4F2, электрон быстро за времена порядка пс безызлучательно релаксирует в состояния 2Aи E

Расстояния между уровнями 2A и E составляет 29 см-1, переходы из них в

основное состояние запрещены в приближении электрического диполя

Схема накачки - трехуровневая

Две длины волны генерации - 692.8 нм и 694.3 нм

Накачка - оптическая

Источники накачки - импульсные ксеноновые или ртутные лампы

Активная среда - цилиндрический рубиновый стержень диаметром 2-3 см и длиной от 5 см до 30 см

Твердотельные лазеры: рубиновый лазер

Оптимальная концентрация ионов хрома в рубине

увеличение концентрации ионов хрома приводит к увеличению интенсивности тушения люминесценции

из-за различий радиусов хрома и алюминия рост концентрации ионов хрома приводит к увеличению внутренних механических напряжений в кристалле

Ширина линий усиления составляет порядка 10 см-1

однородное уширение обусловлено взаимодействием ионов хрома с фононами кристаллической решетки

неоднородное уширение возникает из-за пространственной неоднородности внутрикристаллического электрического поля

Режимы генерации импульсный

импульсно-периодический с водяным охлаждением непрерывный (накачка – ртутные лампы высокого давления)

Твердотельные лазеры: рубиновый лазер

Режимы генерации

свободная генерация - длительность одиночного импульса порядка 1 мс

модуляция добротности

синхронизация мод - выходная мощность импульса излучения может достигать гигаватт при длительности импульса порядка 10 пс

Неодимовый лазер

Генерация осуществляется на переходах трехвалентного иона неодима,

легированного в матрицу

аморфные структуры – фосфатные или силикатные стекла

диэлектрическийкристалл Y3Al5O12 (иттрий алюминиевый гранат или

сокращенно YAG), в котором часть ионов Al3+ (1.5%) замещены на ионы Nd3+

Твердотельные лазеры: неодимовый лазер

Схема накачки - четырехуровневая

Оптическая накачка возбуждает широкие полосы, обусловленные большим количеством близко расположенных перекрывающихся уровней с центрами на длинаъ волн 0.73 мкм и 0.8 мкм

Далее электроны за доли микросекунд безызлучательно релаксируют в метастабильное состояние 4F3/2

Лазерная генерация возникает на длине волны 1.064 мкм на переходе

4F3/2→4I11/2

С нижнего лазерного уровня электрон быстро безызлучательно релаксирует

восновное состояние

ВNd:YAG лазере линия уширена однородно с шириной 6.5 см-1

Влазере на стекле линия уширена неоднородно с шириной порядка 200 см-1

Твердотельные лазеры: неодимовый лазер

Источники накачки

Режимы генерации импульсный

импульсно-периодический (мощность может достигать сотен ватт) непрерывный (мощность может достигать сотен ватт)

В лазере на стекле в режиме синхронизации мод можно получить длительности импульсов в несколько раз меньше по сравнению с лазером на гранате, что обусловлено более широкой линией усиления