Квантові генератори світла на твердому тілі

Оптичний квантовий генератор складається з трьох основних елементів:

• активної речовини, що є джерелом інду­кованого випромінювання,

• джерела збудження (підкачу­вання), що постачає енергією активну речовину,

• резонанс­ної системи.

Активною речовиною у лазері може бути твер­де, газоподібне або рідке тіло. Вперше принципи роботи квантових генераторів на твердому тілі були перевірені на кристалі рубіна. Червоний колір рубіна пояснюється тим, що при освітленні його природним світлом частина атомів хрому збуджується, а потім спонтанно переходить з верх­ніх енергетичних рівнів на нижні, випромінюючи при цьому червоне світло, яке ми й бачимо. Рубіновий гене­ратор випромінює імпульси світла на хвилі близько 0,7 мк з дуже вузькою смугою (менше 1Å).

Будова рубінового генератора показана на рис.

1-охолоджувач, 2-пружина, 3-скляна трубка, 4-рубін, 5-імпульсна лампа, 6-вихідний пучок, 7-джерело живлення.

Кристал рубіна виготовляється у вигляді стержня довжи­ною близько 4 см і діаметром близько 0,5 см. Довжина і діаметр можуть бути й іншими, але, як правило, знаходя­ться в межах 0,1-2 см по діаметру і 2-23 см - по довжи­ні. Торці рубінового стержня полірують до одержання оп­тичноплоскої поверхні. Срібне по­криття наноситься так, що одна торцева поверхня рубіна стає повністю відбивальною, а друга може мати коефіцієнт пропускання від 5 до 80%. Коефіцієнт відбивання від них рідко перевищує 85 або 90%. Якщо необхідно одер­жати більший коефіцієнт відбивання, використовують ба­гатошарові діелектричні плівки.

Ккд лазера визначається як відношення когерентно випромінюваної енергії до електричної енергії, яка затра­чається у імпульсній лампі, і є функцією багатьох параметрів. До них відносяться спектральні характеристи­ки імпульсної лампи.

Крім рубіна, для створення квантових генераторів на твердому тілі застосовують окис магнію МgO, топаз, сма­рагд, уваровіт, уран та ін. Усі ці матеріали мають широкі смуги поглинання і їх люмінесцентні переходи дають лінії, що лежать у червоній області світлового спектра.

Хороші наслідки були досягнуті в дослідах з фтористим кальцієм СаF₂ з домішками тривалентного урану або самарію. Є по­відомлення про створення лазера, в якому використовує­ться кристал вольфрамату кальцію СаWO₄ з домішкою іонів неодиму. Робляться спроби використання як активної ре­човини люмінесцентних матеріалів типу скла. Випробовувались лазери на склі з домішками неодиму, також із застосуванням органічного скла. Найбільш складною технічною проблемою, що стоїть перед вченими, які розробляють лазери, є відведення тієї частки енергії випромінювання у кристалі, яка пере­творюється у тепло.

Нагрівання має великий вплив на роботу кристалічних квантових генераторів. Експерименти показують, що ге­нератор на рубіні перестає працювати, як тільки він пере­гріється. Внутрішнє нагрівання активної речовини не до­зволяє створювати генератори світла на твердому тілі, що працюють у безперервному режимі, навіть якщо як охоло­джувач використовується рідкий азот. При нагріванні ак­тивної речовини розширюється лінія випромінювання гене­ратора.

Лазер на іонах неодима. Найбільш поширеним класичним лазером, випромінюючим в ближній інфрачервоній області спектру (1,06 мкм), є лазер на іттрій-алюмінієвом гранаті з неодімом. Робочими частинками в нім є іони неодіма Nd³⁺, і лазер працює за так званою чотирьохрівневою схемою.

Кристали іттрій-алюмінієвого граната Y₃Al₅O₁₂ : Nd³⁺ володіють винятковим набором властивостей, що робить їх вельми відповідним матеріалом для твердотілих лазерів. Вони прозорі в дуже широкій спектральній області (0,2-5 мкм), механічно міцні, володіють високою променевою стійкістю, а по теплопровідності поступаються трохи тільки корунду Al₂O₃, теплопровідність якого приблизно така ж, як у міді. Кристалічна структура іттрій-алюмінієвого граната (ІАГ) допускає введення значних концентрацій іонів Nd³⁺.

В даний час технологія вирощування монокристалів ІАГ добре розроблена. Лазер на ІАГ має низький поріг генерації. Таким чином, здавалося, що цей матеріал ідеально підходить для створення високоефективних лазерів. Проте з'ясувалося, що через так званого концентраційного гасіння люмінесценції він не може бути використаний для мініатюрних високоефективних лазерів.

Основною частиною лазера, як відомо, є активний елемент. У твердотільному лазері це кристалічний або скляний стрижень. Найбільш споживаними активними частинками впродовж 35 років є іони рідкоземельного елементу неодіма Nd³⁺ (Z = 60). Елекронная конфігурація цього іона така, що його енергетичний спектр, тобто сукупність енергій, якими може володіти цей іон, дозволяє здійснювати найбільш енергетично вигідну чотирьохрівневу схему роботи лазера.

Лазери, побудовані на кристалах з повним заміщенням іонів ітрію іонами неодіма, тобто на кристалах NdAl₃(BO₃) ₄, мають низькі пороги генерації і високий ККД. Проте із-за дуже складної технології отримання цих кристалів лазери з ними не набули поширення.