19. Лазеры на основе конденсированных сред. Общая хар-ка. И св-ва.

Под конденсированными средами будем понимать твердые тела и жидкости, атомные частицы (атомы, молекулы, ионы) которые связаны между собой. В таких телах не происходит самопроизвольный разрыв связей, и конденсированные тела сохраняют свой объем.

Виды лазеров на конденсированных средах:

1. Твердотельные лазеры;

2. Полупроводниковые лазеры;

3. Жидкостные лазеры.

В настоящее время лазеры на основе конденсированных сред находят  широкое применение как в фундаментальных научных исследованиях, так и в промышленности и медицине. Это обусловлено рядом присущих им свойств и прежде всего возможностью достижения значительной удельной мощности генерации путем создания высокой концентрации активных частиц.

При переходе к конденсированным средам вообще и к  твердому телу (ТТ) в частности прежде всего необходимо отметить, что происходит резкое увеличение (по сравнению, например, с газовой системой) плотности частиц. Именно поэтому для ТТ не представляется возможной реализация всех тех методов создания инверсии, которые были характерны для газов. В случае диэлектрика практически единственным способом воздействия на ТТ, не приводящим к его разрушению, является облучение тела светом. При наличии проводимости возможно пропускание электрического тока. Наличие в ТТ широких полос поглощения приводит к возможности поглощения облучаемым образцом большой энергии при использовании интенсивных источников немонохроматического излучения. При этом если прозрачный диэлектрик содержит некоторые примесные центры, создающую в нем подходящую систему уровней энергии, то инверсия населенностей в ней может быть создана только путем поглощения энергии света. При этом принципиальным здесь является наличие, по крайней мере, трех уровней энергии.

Если роль верхнего уровня играет широкая полоса поглощения, это позволяет использовать значительную часть спектра нелазерного источника накачки. Ниже должен располагаться узкий (метастабильный) уровень, время жизни которого велико. Такая ситуация обеспечивает возможность накопления большого числа частиц на метастабильном уровне. Для достижения порога генерации необходимо, чтобы плотность частиц на метастабильном уровне превышала их плотность на основном (нижнем) уровне, с которого для этого требуется возбудить более 50 % частиц. Наиболее распространенной трехуровневой средой для лазеров является рубин (корунд Al₂O₃ с примесью ионов Cr³⁺).

В такой системе инверсия создается по отношению к основному состоянию, поэтому верхний лазерный уровень за счет безызлучательных переходов должен населяться быстрее, чем опустошаться. Однако возникает инверсия не сразу после включения накачки. Частицы должны накопиться на метастабильном уровне под действием излучения накачки в течение некоторого времени. При этом необходимость предварительной затраты энергии при создании инверсии населенностей метастабильного уровня по отношению к основному состоянию в оптической трехуровневой системе обусловлена тем, что приходится переводить с основного уровня  через промежуточный уровень   на метастабильный уровень  по крайней мере половину всех частиц. Роль нижнего лазерного уровня при этом играет основное состояние, которое, как правило, хорошо заселено. Поэтому представляют большой интерес схемы, в которых оптическая накачка создает инверсию по отношению к незаселенному термически уровню. Это может быть реализовано с помощью четырехуровневой системы. В этом случае между метастабильным и основным уровнями имеется промежуточный — «нижний рабочий уровень», который должен быть расположен настолько выше основного, чтобы в условиях термодинамического равновесия он был заселен достаточно слабо. При этом порог генерации достигается, когда населенность метастабильного уровня превосходит населенность нижнего рабочего уровня.  Таким образом, на основном уровне может оставаться более 50 % частиц, что существенно снижает требования к источнику накачки. В такой схеме нижний лазерный уровень должен опустошаться за счет безызлучательных переходов в основное состояние быстрее, чем заселяться переходами с верхнего лазерного уровня. В этом случае канал безызлучательного заселения верхнего лазерного уровня является наиболее эффективным релаксационным процессом в этой системе уровней.