2.3. Лазеры на стекле с неодимом

В 1961 г. Е. Снитцером в качестве рабочего тела лазера с оптической накачкой был предложен ион неодима, помещенный в матрицу из стекла. Схема основных лазерных уровней иона неодима приведена на рис. 43. В отличие от рубинового лазер не неодиме работает по четырехуровневой схеме. Излучение лампы накачки активно поглощается целой системой полос, лежащих в диапазоне длин волн от 900 до 350 нм с временем жизни 10 …10 с. В результате эффективных безызлучательных переходов возбуждение с этих уровней передается на метастабильный уровень , время жизни которого в случае стеклянной матрицы лежит в диапазоне 10 -10 с в зависимости от концентрации неодима и марки стекла. Наиболее интенсивная линия люминесценции соответствует переходу на уровень I с = 1,06 мкм. Ширина этой линии составляет ~ 20-40 нм. Нижний лазерный уровень I поднят над основным на 2,2 cм . Из-за малого времени жизни этого уровня относительно безызлучательных переходов (10 ) и его низкой равновесной заселенности инверсия в данной схеме возникает при сравнительно низких уровнях возбуждения ~1 Дж/см и таким образом, четырехуровневая схема ионов позволяет устранить один из наиболее серьезных недостатков рубиновых лазеров.

Благодаря хорошей экранировке внутренних рабочих уровней электронами на внешней оболочке в стеклянной матрице допускаются более высокие концентрации примесей, чем в рубине (до 10 см при оптимальных значениях (2-5) х 10 см , что соответствует 2-5%). Так как сечение вынужденных переходов для неодима в стекле составляет ~ 5 *10 см , то -20 2 коэффициент усиления ~1 см достигается уже при возбуждении лишь 5-10% всех активных частиц.

Весьма важные преимущества стеклянной матрицы заключаются и в возможности изготовления качественных активных элементов больших размеров. В настоящее время в лазерной технике используются элементы с поперечными размерами до 5-10 см и длиной до 2 м. Большие размеры элементов позволяют в свою очередь получать большие энергии в импульсе излучения. В современных промышленных лазерах на стекле с неодимом энергия излучения в режиме свободной генерации достигает 10 Дж.

Конструктивно лазеры на стекле с неодимом мало отличаются от рубиновых лазеров. В случае использования элементов больших размеров для получения однородного возбуждения используют несколько ламп накачки, расположенных вокруг элемента.

Расходимость лазеров на стекле составляет ~10 мрад, что существенно ниже дифракционной. В основном это обусловлено многомодовым режимом генерации. Для уменьшения расходимости вводят ограничивающие апертуры, а также «портят» (делают шероховатыми) боковые стенки стержней. Для получения мощного' излучения с дифракционной расходимостью обычно используют твердотельные усилители. На маломощном задающем генераторе добиваются с потерей энергии хорошего качества излучения, а затем пропускают это излучение через серию усилительных каскадов, используя прекрасные усилительные возможности стеклянных стержней с неодимом (К ).

Благодаря возможности получения большой энергии излучения с хорошей расходимостью лазеры-усилители широко используются в термоядерных исследованиях. В современных лазерных термоядерных установках с применением в качестве активного элемента стекла с неодимом получают импульсы излучения с энергией 10 -10 Дж и длительностью с, т. е. с мощностью излучения Вт.

Для технологических целей в настоящее время используется целый спектр лазеров с энергией излучения от 1 до 1000 Дж и длительностью импульса 1-10 мс.

Существенным с точки зрения технологических применений недостатком лазеров на стекле является низкая теплопроводность активного элемента. ограничивающая частоту повторения импульсов и исключающая реализацию непрерывного режима генерации. Действительно, при характерных для технологических лазеров поперечных размерах стержней ~1 см время его охлаждения составит, как видно из (2.2) и данных табл. 6 приблизительно 50 с. Для увеличения частоты следования импульсов излучения, что может оказаться очень важным в условиях реального производства, необходимо уменьшать поперечный размер активного элемента. При R ~0,1см частота следования импульсов составит уже 1 Гц.

Эффективность преобразования электрической энергии в энергию излучения лазера на стекле зависит от режима генерации и составляет 1 % при квантовом КПД иона неодима ~0,5. Распределение энергии по каналам потерь в лазере на стекле с неодимом близко к рубиновому лазеру ( ~0,5; ~0,5; ~0,7; ~0,13; ~0,7). Некоторое повышение КПД по сравнению с рубиновым лазером обусловлено тем, что сосредоточенная в возбужденных уровнях энергия на пороге генерации в лазере на стекле с неодимом существенно меньше. Эта разница становится особенно ощутимой при работе в режиме с модулированной добротностью, где КПД неодимового лазера может отличаться более чем на порядок.

Подводя итог, отметим, что лазеры на стекле с неодимом представляют большой интерес для использования в технологии с большим диапазоном энергий излучения (1-1000 Дж) и низкой стоимостью. Для сравнения укажем, что коэффициент В для наиболее мощных неодимовых лазеров составляет 10-20 по сравнению с 0,1-0.3 для рубина большого размера.