Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры — это оптические квантовые генераторы, в которых активным веществом являются диэлектрические кристаллы и стёкла, со­держащие ионы редкоземельных или переходных элементов, энергетические уров­ни которых используются для создания инверсии населённостей. Полупровод­никовые лазеры, являясь также твер­дотельными, выделяются в особую группу, т. к. в них используются не квантовые переходы между энергетическими уровнями «рабочих» ионов, а квантовые переходы между разрешёнными энер­гетическими зонами полупроводников. Твердотельный лазер находит ши­рокое применение как в фундаментальных научных исследованиях, так и в промышленности и медицине, что обусловлено главным образом возможностью достижения большой ударной энергии и импульсной мощности генерации благодаря высокой кон­центрации активных частиц.

Рубиновый лазер(Т. Мейман, США, 1960). Рубин представляет собой кри­сталл корунда Аl₂O₃с примесью (~0,05%) ионов Сr³⁺, заменяющих в кристаллической решётке атомы Аl. Погло­щение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, пере­водит ионы Сr³⁺с основного уровняЕ₁ на возбуждённые уровниЕ₃, образу­ющие две широкие полосы1 и 2(рис. 18). Затем за сравнительно малое время (~10^–8с) осуществляется

Рис. 18

безызлучательный переход этих ионов на метастабильные уровни Е₂иE₂^’. Избыток энергии при этом передаётся колеба­ниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Сr³+ на уровняхЕ₂ иЕ₂^’ порядка 10^–3с. При освещении кри­сталла светом, соответствующим синей и зелёной областям спектра (полосы накачки), происходит «накопление» ионов Сr³⁺на уровняхE₂ иE₂^’, а при достаточной мощности накачки возникает инверсия населённостей от­носительно уровняE₁. Для достижения инверсии необходимо перевести более ½ ионов на уровниE₂,E₂^’за время порядка 10^–3с. Источниками на­качки служат обычно импульсные ксеноновые лампы (длительность импульса ~10^–3с). За это время в каждом см³кристалла поглощается энергия ~ несколько Дж. Если инверсия населён­ностей достигает порогового значе­ния, при котором усиление за счёт вынужденного испускания превышает потери энергии в резонаторе, то возникает режим генерации (см. ниже). Рубиновый лазер генерирует на длине волны ~ 0,7 мкм.

Отношение энергии лазерного импульса к электрической энергии питания лампы накачки — кпд рубинового лазера мал (несколько %) вследствие потерь на преобразование электрической энергии в световую в лампах и в схеме питания, неполного поглощения энергии излу­чения ламп активным элементом (~15%) и в результате безызлучательных потерь энергии в активном веще­стве. Удельная энергия импульса генерации от каждого см³вещества рубинового лазера достигает нескольких Дж; примерно столько же энергии передаётся решётке кри­сталла вследствие безызлучательных потерь. Выделение энергии ~1 Дж/см³ нагревает кристалл на десятки градусов. Выделение теплоты происходит не­одинаково по сечению активного вещества, нарушая его оптическую однородность. Это приводит к искажению фронта ге­нерируемых волн и к расходимости луча лазера. При чрезмерном выделении теплоты кристалл разрушается.

Лазерные средытвердотельных лазеров. К 1982 ла­зерный эффект обнаружен более чем у 250 диэлектрических кристаллов с примеся­ми. Среди них можно выделить группу так называемых оксидных лазерных кристаллов [например, рубин, итриево-алюминиевый гранат, активирован­ный ионами неодима:Y₃Аl₅О₁₂(Nd³⁺), ниобат никеляNiNbO₃(Nd³⁺)] и группы фторидных кристаллов [LiYF₄(Nd³⁺),LiHoF₄(Nd³⁺) и др.]. Большинство твердотельных лазеров излучает в диапа­зоне λ от 1 до 3 мкм. Для улучшения параметров, в частности повышения кпд, в кристалл наряду с рабочими ионами — активаторами добавляют ионы — сенсибилизаторы. Их роль сводится к поглощению энергии и пе­редаче возбуждения рабочим ионам.

Для создания малогабаритных лазеров применяются кристаллы, в которых активные ионы входят в со­став кристаллической решётки (например, пентафосфат неодима), а не вводятся в ка­честве примесей. В таких кристаллах потери энергии из-за концентрации ту­шения уменьшены за счёт упорядочен­ного расположения активных ионов и фиксированных расстояний между ни­ми. При этом концентрация активных ионов может превышать 20% , в то вре­мя как в примесных кристаллах она не превышает 5% из-за большой вероят­ности образования близких пар, для которых безызлучательные потери осо­бенно велики.

Другим типом активных веществ для твердотельных лазеров являются смешанные разупорядоченные системы (твёрдые растворы). При этом примесные атомы входят в состав многих различных активационных цент­ров. В результате этого спектры пог­лощения вещества состоят из широких по­лос, что увеличивает кпд. К смешан­ным кристаллическим средам по свойствам примы­кают стёкла.

Режимы работы.Большинство твердотельных лазеров работает в импульсном режиме. Если для накачки лазера используется лам­па с длительностью импульса ∆t_н~ 10^–3с, то импульс генерации длится примерно такое же время. Небольшое запаздывание начала гене­рации по сравнению с импульсом накачки обусловлено тем, что для развития генерации необходимо пре­высить пороговое значение инверсии населённостей, после чего усиление за один «проход» рабочего объёма начи­нает превышать суммарные потери энергии в зеркалах резонатора за счёт поглощения и рассеяния света, а также за счёт полезного излучения. Режим работы лазера, когда длитель­ность лазерного импульса ∆t_л≈∆t_н, называют режимом свободной генерации. Он характеризуется тем, что импульс генерации состоит из совокупности множества хаотически коротких (10^–6с) пичков (пичковый режим).

Для ряда применений важно сокра­тить ∆t_л, т. к. при заданной энергии импульса пиковая мощность возра­стает с уменьшением его длительнос­ти. Для этого служит так называемый метод модулированной доброт­ности, основанный на включении резонатора лазера специальным затвором. Оптическую накачку осуществляют при закрытом затворе, накапливая энер­гию в активном веществе в виде нара­стающего количества возбуждённых ионов. Затем быстро открывают зат­вор, включая резонатор. При этом вся запасённая в активном элементе энергия возбужде­ния (или большая её часть) высвечи­вается в виде короткого светового импульса, длительность которого опре­деляется скоростью открывания зат­вора или, если время открывания зат­вора достаточно мало, временем уста­новления электромагнитного поля в резонаторе. С помощью оптического затвора обычно получают ∆t_л~10^–7—10^–8с. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности вследствие потерь на сверхлюминесценцию оказывается меньшей, чем в режиме свободной ге­нерации. Однако выигрыш в мощности за счёт уменьшения ∆t_лдостигает нескольких порядков.

Ещё более короткие (пикосекундные) импульсы получают при помощи про­светляющих фильтров. В них приме­няются слабые растворы красителей, кон­центрация которых подбирается так, чтобы при достижении определённой интенсивности света достиглось вы­равнивание населённости соответст­вующих энергетических уровней (насыщение), при котором раствор стано­вится прозрачным. Введение в резонатор про­светляющего фильтра предотвращает генерацию при включении накачки, но в активном веществе накаплива­ются возбуждённые частицы, соответствен­но растёт интенсивность спонтанного излучения. Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход) меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует развитию гене­рации. При достижении уровня про­светления раствор становится прозрач­ным, и генерируется серия сверхко­ротких импульсов, интервалы между которыми определяются временем про­хождения света между зеркалами резо­натора. Длительность генерируемых импульсов имеет порядок менее 10^–9с, при энергии в несколько Дж, что соответствует мощности более 10¹⁰Вт. Лазером на стекле с примесьюNdгене­рируют последовательность импульсов с длительностями 10^–11—10^–12с.

Энергия сверхкоротких импульсов невелика. Её можно значительно уве­личить при помощи одного или нескольких лазеров, работающих в режиме усиления. При этом достигается пиковая мощ­ность 10¹³—10¹⁴Вт при расходимости пучка, близкой к дифракционной.

Режим синхронизации мод можно осуществить амплитудной или фазовой модуляцией оптического резонатора. Моду­лируются пропускание выходного зер­кала или расстояние L между зерка­лами с частотой, равной частоте межмодовых биений Ω=с/2L. Этот метод используется в лазерах с непрерывной накачкой, излучение которых представ­ляет собой непрерывную последова­тельность импульсов длительностью ∆t ≤1 нс, следующих друг за другом с частотой Ω.

Непрерывный режим генерации в твердотельных лазерах возможен только в активных веществах, работающих по четырёх­уровневой схеме. При этом нижнем уровнем рабочего перехода являются не основной уровень Е₁, а промежуточный уровеньЕ₂, энергия которого должна превосходитьkТ с тем, чтобы его равновесная населённость была ма­лой. Время безызлучательной ре­лаксации с этого уровня тоже должно быть малым, иначе лазерный переходЕ₃ →Е₂ будет насыщаться при ма­лой мощности генерации.Лазеры непрерывного дейст­вия осуществлены на кристаллеY₂Аl₅O₁₂(Nd³⁺), СаF₂(Dy³⁺) и др. Мощность генерации лазеров непрерыв­ном режиме на кристаллах алюминиево-иттриевом гранате и на стекле с Ndдостигает сотен Вт. Возможен также режим генерации импульсов с большой частотой повторения, дляY₂Аl₅O₁₂(Nd³⁺) до нескольких кГц.

Спектр излучения твердотельных лазеров (если не принимать специальных мер) сравнительно широк, т. к. обычно реализуется многомодовый режим генерации. Вве­дением в оптический резонатор селектирую­щих элементов удаётся получать одномодовую генерацию с узким спектром. Новые возможности для создания лазеров с перестраиваемой частотой в широких пределах связаны с использованием в качестве активной среды ионных крис­таллов (например, фторидов) со сложными центрами окраски. Это позволило расширить область генерации в ИК об­ласть до λ ~ 3,5 мкм.