11.5. Лазеры на твердом теле

Твердотельными называют лазеры, в которых активной средой являются кристаллические или аморфные диэлектрики (стекла), легированные ионами хрома или редкоземельных элементов. Кон­центрация активных частиц в твердом материале намного превы­шает концентрацию частиц в газовых средах. Поэтому можно получить большую населенность уровней, а следовательно, и боль­шую мощность излучения на единицу объема, чем в газовых лазе­рах, или ту же мощность при малой длине активной среды. Однако длина активных элементов твердотельных лазеров ограничива­ется имеющимися оптическими неоднородностями вещества, приводящими к рассеиванию излучения и понижению добротности резонаторов. Обычно длина активных элементов составляет не­сколько десятков сантиметров.

В первом твердотельном лазере (1960 г.) использовался рубин. Рубин — это корунд в кристаллической решетке которого часть ионов алюминия замещена ионами хромаВ зависимо­сти от процентного содержания примеси корунд окрашивается от розового до темно-красного. Диаграмма энергетических уровней хрома в окиси алюминия приведена на (рис. 11.12). В твердых те­лах сильное взаимодействие частиц приводит к существенному увеличению ширины энергетических уровней. Инверсия населенно­стей создается по трехуровневой схеме. Производится оптическая накачка путем облучения мощной ксеноновой лампой. Ионы хро­ма поглощают излучение и переходят из основного состояния 1 на два широких уровня3. Подуровни 2 являются метастабильными (время жизни около ). Время жизни подуровней3 опреде­ляется безизлучательными релаксационными переходами на под­уровни 2. Это примерно что много меньше времени жизни, связанного со спонтанными излучательными переходами. Вслед­ствие безизлучательных переходов происходит быстрое уменьшение населенности подуровней3 и заселение метастабильных под­уровней 2. Поэтому населенность подуровней 2 может стать боль­ше населенности основного уровня 1. Так как разрешены перехо­ды в основное состояние с верхнего и с нижнего подуровней 2, то возможна генерация излучения в красной области спектра с дли­нами волн иНаиболее благоприятное усло­вие для генерации с длиной волны

Рубиновые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Система оптической накачки содержит лампу и элементы, обеспечивающие концентрацию светового по­тока на активный стержень. Эффективность системы оптической ламповой накачки определяют как отношение энергии, поглощен­ной в материале, к энергии, потребляемой лампой. Различные ва­рианты системы оптической накачки показаны на (рис 11.13).

Импульсный режим работы ламп обеспечивается разрядом конденсаторов, предварительно заряжаемых от источника напря­жением до нескольких киловольт. Для работы в непрерывном ре­жиме используются специальные дуговые капиллярные лампы и лампы накаливания.

Выходная мощность рубинового лазера зависит от энергии на­качки. Генерация начинается при некоторой пороговой энергии в несколько сотен джоулей. Средняя мощность в импульсе состав­ляет несколько киловатт, КПД –– примерно 1%. В лазерах не­прерывного действия используют кристаллы относительно неболь­шого размера, и выходная мощность таких лазеров — примерно

При использовании в качестве активных частиц ионов редкозе­мельных элементов (неодима, диспрозия, самария, эрбия, голь­мия и празеодима) инверсия населенностей создается по четырех уровневой схеме. Здесь нижний уровень лазерного перехода нахо­дится на достаточно большом расстоянии от основного уровня. В этом случае населенность нижнего уровня оказывается небольшой даже при комнатной температуре. Это облегчает создание инвер­сии населенности, приводя к уменьшению мощности источника оп­тической накачки. Наиболее распространенным лазером такого типа является лазер на стекле, активированном неодимом. Хоро­шая технологичность и низкая стоимость стеклянных лазерных стержней, а также возможность изготовления длинных стержней являются преимуществами лазеров на стекле по сравнению с ру­биновым лазером. Однако стекло имеет значительно меньшую, чем рубин, теплопроводность, что вызывает необходимость применения эффективных систем охлаждения. Длина волны излучения лазера

Рассмотрим еще один лазер, перспективный для использования в оптических системах связи. Это лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) легированном активными ионами неоди­ма (сокращенно: YAG-Nd-лазер). Инверсия населенностей создается по четырехуровневой системе. Иттрий-алюминиевый гра­нат с примесью неодима является уникальным материалом, обла­дающим хорошей теплопроводностью, большой твердостью и удовлетворительными оптическими свойствами.

Основной лазерный переход при комнатной температуре излу­чает колебания с длиной волны Конструкция тако­го лазера имеет много общего с конструкцией рубинового лазе­ра. Для оптической накачки стержень помещается в одном из фо­кусов эллиптического цилиндра с зеркальной поверхностью; в дру­гом фокусе находится йод-вольфрамовая лампа. Получена мощ­ность генерации несколько сотен ватт в непрерывном режиме.

Более компактна конструкция YAG-Nd-лазера с накачкой от светодиода из при Такое устройство накач­ки показано на (рис. 11.14). СтерженьNd: YAG 1 длиной и толщинойнакачивается с торца-светодиодом2 (3 — пластина для теплоотвода). Такая накачка была опробована в импульсном режиме. Предполагают получить мощность несколь­ко милливатт в непрерывном режиме работы лазера.

При возрастании концентрации неодима в кристалле возра­стает мощность лазерного излучения. Однако при очень большой концентрации неодима в иттрий-алюминиевом гранате (более 1% вместо Y) происходят расширение спектральной линии из-за взаимодействия неодимовых пар и излучение лазера ослабля­ется. Лучшим материалом является неодимультрафосфат. В нем атомы неодима связаны химически, но большие фосфатные комп­лексы хорошо изолируют их друг от друга. Концентрация неоди­ма в ультрафосфате в 60 раз выше наибольшей допустимой кон­центрации в иттрий-алюминиевом гранате.

Для лазера используются кристаллы неодим-пентафоcфат Накачка осуществляется светодиодом приДлина волны излучения лазераЛазер имеет очень низкий порог накачки — примерноМалые размеры лазера позволяют его назватьмикролазером.