ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

       

оптич. квантовые генераторы (лазеры), в к-рых активным веществом являются диэлектрич. кристаллы и стёкла, содержащие ионы редкоземельных или переходных элементов, энергетич. уровни к-рых используются для создания инверсии населённостей. Полупроводниковые лазеры, являясь также твердотельными, выделяются в особую группу, т. к. в них используются не квант. переходы между энергетич. уровнями «рабочих» ионов, а квант. переходы между разрешёнными энергетич. зонами полупроводников (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). Т. л. находит широкое применение как в фундам. науч. исследованиях, так и в пром-сти и медицине, что обусловлено гл. обр. возможностью достижения большой уд. энергии и импульсной мощности генерации благодаря высокой концентрации активных ч-ц.

Рубиновый лазер (Т. Мейман, США, 1960). Рубин представляет собой кристалл корунда Аl2О3 с примесью (=0,05%) ионов Cr3+, заменяющих в крист. решётке атомы Аl. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Cr3+ с осн. уровня ?1 на возбуждённые уровни ?3, образующие две широкие полосы 1 и 2

(рис.). Затем за сравнительно малое время (=10-8 с) осуществляется безызлучат. переход этих ионов на метастабильные уровни ?2 и ?'2. Избыток энергии при этом передаётся колебаниям крист. решётки. Время жизни ионов Cr3+ на уровнях ?'2 и ?2 порядка 10-3 с. При освещении кристалла светом, соответствующим синей и зелёной областям спектра (полосы накачки), происходит «накопление» ионов Cr3+ на уровнях ?2 и ?'2, а при достаточной мощности накачки возникает инверсия населённостей относительно уровня ?1. Для достижения инверсии необходимо перевести более 1/2 ионов на уровни ?2, ?'2 за время порядка 10-3 с. Источниками накачки служат обычно импульсные ксеноновые лампы (длительность импульса =10-3 с). За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия = неск. Дж. Если инверсия населённостей достигает порогового значения, при к-ром 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 электрич. энергии питания лампы накачки — кпд рубинового Т. л. мал (неск. %) вследствие потерь на преобразование электрич. 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. Уд. энергия импульса генерации от каждого см3 в-ва рубинового лазера достигает неск. Дж; примерно столько же энергии передаётся решётке кристалла вследствие безызлучательных потерь. Выделение энергии =1 Дж/см3 нагревает кристалл на десятки град. Выделение теплоты происходит неодинаково по сечению активного в-ва, нарушая его оптич. однородность. Это приводит к искажению фронта генерируемых волн и к расходимости луча Т. л. При чрезмерном выделении теплоты кристалл разрушается.

Лазерные среды Т. л. К 1982 лазерный эффект обнаружен более чем у 250 диэлектрич. кристаллов с примесями. Среди них можно выделить группу т. н. оксидных лазерных кристаллов (напр., рубин Аl2O3-(Cr3+), итриево-алюминиевый гранат, активированный ионами неодима: Y3Al5Ol2(Nd3+), ниобат никеля NiNbO3(Nd3+)) и группы фторидных кристаллов (LiYF4(Nd3+), LiHoF4(Nd3+) и др.). Большинство Т. л. излучает в диапазоне l 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 Т. л. применяются кристаллы, в которых активные ионы входят в состав крист. решётки (напр., пентафосфат неодима), а не вводятся в качестве примесей. В таких кристаллах потери энергии из-за концентрац. 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 к-рых безызлучательные потери особенно велики.

Др. типом активных веществ для Т. л. являются смешанные разупорядоченные системы (тв. растворы). При этом примесные атомы входят в состав мн. различных активац. центров. В результате этого спектры поглощения в-ва состоят из широких полос, что увеличивает кпд. К смешанным крист. средам по св-вам примыкают стёкла.

Режимы работы. Большинство Т. л. работает в импульсном режиме. Если для накачки Т. л. используется лампа с длительностью импульса Dtн= 10-3 с, 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 Т. л., когда длительность лазерного импульса Dtл»Dtн, наз. режимом свободной генерации. Он характеризуется тем, что импульс. генерации состоит из совокупности множества хаотич. коротких (10-6 с) пичков (пичковый режим).

Для ряда применений важно сократить Dtл, т. к. при заданной энергии импульса пиковая мощность возрастает с уменьшением его длительности. Для этого служит т. н. метод модулированной добротности, основанный на включении резонатора Т. л. спец. затвором. Оптич. накачку осуществляют при закрытом затворе, накапливая энергию в активном веществе в виде нарастающего количества возбуждённых ионов. Затем быстро открывают затвор, включая резонатор (см. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ). При этом вся запасённая в активном элементе энергия возбуждения (или большая её часть) высвечивается в виде короткого светового импульса, длительность к-рого определяется скоростью открывания затвора или, если время открывания затвора достаточно мало, временем установления эл.-магн. поля в резонаторе. С помощью оптич. затвора обычно получают Dtл =10-7—10-8 с. Полная энергия импульса в режиме модулиров. добротности вследствие потерь на сверхлюминесценцию оказывается меньшей, чем в режиме свободной генерации. Однако выигрыш в мощности: за счёт уменьшения Dtл достигает неск. порядков.

Ещё более короткие (пикосекундные) импульсы получают при помощи просветляющих фильтров. В них применяются слабые р-ры красителей, концентрация к-рых подбирается так, чтобы при достижении определённой интенсивности света достиглось выравнивание населённости соответствующих энергетич. уровней (н а с ы щ е н и е), при к-ром раствор становится прозрачным (см. ПРОСВЕТЛЕНИЯ ЭФФЕКТ). Введение в резонатор просветляющего фильтра предотвращает генерацию при включении накачки, но в активном веществе накапливаются возбуждённые ч-цы, 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 к-рыми определяются временем прохождения света между зеркалами резонатора. Длительность генерируемых импульсов имеет порядок менее 10-9 с, при энергии в неск. Дж. что соответствует мощности более 1010 Вт. Т. л. на стекле с примесью Nd генерируют последовательность импульсов с длительностями 10-11—10-12 с.

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

Режим синхронизации мод можно осуществить амплитудной или фазовой модуляцией оптич. резонатора. Модулируются пропускание выходного зеркала или расстояние L между зеркалами с частотой, равной частоте межмодовых биений W=c/2L. Этот метод используется в Т. л. с непрерывной накачкой, излучение к-рых представляет собой непрерывную последовательность импульсов длительностью Dt ?1 нс, следующих друг за другом с частотой W.

Непрерывный режим генерации в Т. л. возможен только в активных веществах, работающих по четырёхуровневой схеме. При этом ниж. уровнем рабочего перехода явл. не осн. уровень ?1, а промежуточный уровень ?2, энергия к-рого должна превосходить kT с тем, чтобы его равновесная населённость была малой. Время безызлучательной релаксации с этого уровня тоже должно быть малым, иначе лазерный переход ?3®?2 будет насыщаться при малой мощности генерации (см. рис. 4, б в ст. (см. ЛАЗЕР)). Т. л. непрерывного действия осуществлены на кристалле Y2Al5O12(Nd3+), CaF2(Dy3+) и др. Мощность генерации Т. л. в непрерывном режиме на кристаллах алюминиево-иттриевом гранате и на стекле с Nd достигает сотен Вт. Возможен также режим генерации импульсов с большой частотой повторения, для Y2Al5Ol2(Nd3+) до неск. кГц.

Спектр излучения Т, л. (если не принимать спец. мер) сравнительно широк, т. к. обычно реализуется многомодовый режим генерации. Введением в оптич. резонатор селектирующих элементов удаётся получать одномодовую генерацию с узким спектром. Новые возможности для создания Т. л. с перестраиваемой частотой в широких пределах связаны с использованием в кач-ве активной среды ионных кристаллов (напр., фторидов) со сложными центрами окраски. Это позволило расширить область генерации в ИК область до l = 3,5 мкм.

Применения Т. л. чрезвычайно разнообразны. В технологии (сварка, резка и т. д.) используются Т. л. на основе рубина, неодимового стекла и Y2Al5O12(Nd3+) с мощностью генерации от десятков Вт до неск. кВт.

В медицине применяются гл. обр. Т. л. на неодимовом стекле с энергией излучения 1000 Дж в режиме свободной генерации (терапия) и Т. л. на Y2Al5Ol2(Nd3+) в непрерывном или периодич. режимах (хирургия). Этот же тип Т. л. используется в оптич. локации и связи. Т. л. с Dtл=10-8—10-12 с применяются в высокоскоростной фотографии, а одномодовые Т. л. в голографич. устройствах регистрации быстропротекающих процессов (см. ГОЛОГРАФИЯ). Сверхмощные Т. л. на стекле с Nd применяются для исследования термоядерной плазмы (см. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). Развитие методов формирования коротких и сверхкоротких импульсов привело к открытию нового класса оптич. явлений, таких, как самофокусировка света, вынужденное рассеяние света, параметрич. преобразование частоты света (см. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА).

Создание мощных Т. <п. требует обеспечения миним. термич. деформаций активных элементов. Разработаны спец. атермальные лазерные стёкла, и используются кристаллы с большими теплопроводностью (напр., иттриево-алюминиевый гранат, александрит), фотохим. и лучевой стойкостью. Наибольшей лучевой стойкостью обладает Т. л. на неодимовом стекле.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.