Твердотельные лазеры

Твердотельными называются, как правило, лазеры, активной средой которых является либо диэлектрический кристалл, либо стекло. В твердотельных лазерах активными центрами являются, как правило, примесные ионы, введенные в кристалл. Обычно такой ион принадлежит одной из групп переходных элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, ионы переходных металлов, особенно Cr³⁺, или ионы редкоземельных элементов Nd³⁺, Er³⁺ и др.).

В 1960 г., американским физиком Т.Мейманом был запущен первый лазер, в котором инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия Аl2О3 с небольшой добавкой ≈ 0,05 % хрома. При добавлении хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах (синей и зелёной областях спектра). Всего кристаллами рубина поглощается около 15 % энергии света лампы-вспышки, что в конечном итоге приводит к инверсной населенности между уровнями 4 и основным уровнем 1 ионов хрома Cr³⁺ (см.схему).

Безызлучательные переходы 3→4 и 2→4 происходят за малое время (~10^-8 сек). Избыток энергии передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr³⁺ на уровнях 4 составляет ~ 10 ^-3 сек. За время, не превышающее это значение, необходимо перевести больше половины ионов Cr³⁺ на уровни 4.

Недостатком 3-х уровневой системы является то, что нижним уровнем лазерного перехода является основное состояние в данном случае иона хрома Cr³⁺.

Длительность лазерного импульса τ_и ~ 10^-4 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы, а энергия импульса рубинового лазера ~ 1 Дж. Такой режим работы твердотельного лазера называется режимом свободной генерации. Но если с помощью быстродействующего затвора «включить обратную связь» в оптическом резонаторе (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей активной среды, то эта инверсия «снимется» вынужденным излучением за очень короткое время и в этом случае, в режиме модулированной добротности резонатора, излучается короткий ~ 10^-8 с «гигантский импульс» лазерного излучения.

Наиболее широкое применение из всех твердотельных лазеров находят лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом (Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺). Существенными преимуществами Nd:YAG лазера являются простота и компактность конструкции и высокая средняя мощность излучения. Эффективность Nd:YAG лазера 2  25% определяется, в основном, типом накачки. Наибольшая эффективность достигается при накачке полупроводниковым лазером с длиной волны 0,8 мкм.

Nd:YAG — лазер работает по четырехуровневой схеме. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd³⁺), которые вводятся и в расплавы стекла – фосфатного и силикатного. В лазерах стержни кристалла алюмоиттриевого граната имеют типичный диаметр 3  7 мм и длину 9  150 мм. Стержни из стекол могут иметь существенно бóльшие размеры.

Nd:YAG лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режимах со средней выходной мощностью до 1 кВт.

С помощью нелинейных оптических кристаллов излучение этого лазера (длина волны 1,064 нм) может быть преобразовано в излучение более высоких гармоник с длинами волн 532 нм (2-я гармоника), 355 нм (3-я гармоника), 266 нм (4-я гармоника).

К твердотельным можно отнести и полупроводниковые лазеры. Такой лазер представляет собой полупроводниковый диод с р-n переходом, в области которого при пропускании инжекционного тока в прямом направлении создается инверсия населенности. Для расширения спектрального диапазона и снижения пороговой накачки используют разнообразные тройные и четверные соединения. На сегодняшний день серийно производящиеся полупроводниковые лазеры работают при комнатной температуре в диапазоне длин волн от 420 нм до 30 мкм. К недостаткам этого типа лазеров (из-за малой области генерации излучения) можно отнести значительную расходимость и невысокую когерентность излучения. Однако полупроводниковые лазеры могут применяться для юстировки оптических схем и в системах накачки.