НЕОДИМОВЫЙ ЛАЗЕР

НЕОДИМОВЫЙ ЛАЗЕР

- лазер, генерирующий оптич. излучение за счёт квантовых переходов между энергетич. состояниями трёхвалентных ионов Nd³⁺, помещённых в конденсиров. среду (матрицу), напр. ди-электрич. кристаллы и стёкла, полупроводники, металле органич. или неорганич. жидкости. Концентрация Nd³⁺, вводимых в матрицу, ограничена эффектом кон-центрац. тушения люминесценции и обычно ~ 1-3 х x 10²⁰ см ^-3. В нек-рых кристаллах и стёклах этот эффект ослаблен и концентрация ~10²¹ см ^-3. Наиб. перспективны фосфатные и силикатные стёкла (см. Лазерные стёкла), кристаллы иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) и гадолиний-скандий-галлиевого граната (ГСГГ). Ионы Nd³⁺ - наиб. распространённые рабочие частицы твердотельных лазеров. Они легко активируют мн. матрицы. Накачка переводит ионы Nd³⁺ из осн. состояния ⁴I_9/2 в неск. относительно узких полос, играющих роль верх. уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбуждённых состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки осуществляется быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень ⁴F_3/2. (рис. 1). Время жизни этого уровня составляет 0,2 мс в ИАГ и 0,7 мс в стекле. Наиб. вероятностью обладает лазерный переход ⁴F_3/2 ⁴I_11/2 (l = 1,06 мкм).

Энергетическая щель между состояниями ⁴I_11/2 и ⁴I_9/2, равная 2000 см ^-1, обеспечивает четырёхуровневый характер генерации Н. л. Чем ближе к уровню ⁴F_3/2 расположены полосы поглощения, тем выше кпд генерации.

Рис. 1. Уровни энергии иона неодима. В стёклах из-за неоднородности локальных электростатич. полей линия люминесценции 1,06 мкм сильно уширена (до Dl 30 нм; неоднородное уширение). В кристаллах ИАГ однородное уширение составляет примерно 0,7 ам. Сильное неоднородное уширение приводит к тому, что неодимовое стекло имеет меньшее усиление, а соответствующие лазеры -более богатую мо-довую структуру, чем гранат, активированный неодимом. Вместе с тем стекло допускает большее (до 6%) введение активных центров. В литий-лантан-фосфатных стёклах допустимо почти полное замещение лития неодимом, приводящее к концентрации ионов Nd³⁺, превышающей (2-3)•10²¹ см ^-3. Кристаллы ИАГ активируются до концентрации 1,5% в стехиометрич. замещении иона Y³⁺ на Nd³⁺.

Обычно области применения Н. л. на гранате и стекле существенно различны. В силу большей теплопроводности и однородности гранатовые лазеры легко работают в непрерывном и импульсно-периодич. режимах. Достигнуты ср. мощности ~10² Вт. Неодимовое стекло в силу больших объёмов и более высокой концентрации активатора хорошо накапливает энергию. Поэтому именно стекло служит активной средой импульсных лазеров высокой энергии. Достигнуты значения импульсной энергии в десятки кДж.

В случаях, когда существенно высокое качество излучения, используется схема задающий генератор - усилитель мощности. В этой схеме задающим генератором является часто гранатовый лазер, а усилителем мощности (или конечным каскадом усиления мощности) - лазер на неодимовом стекле.

Н. л. работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей 0,5 пс. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стёкол.

При создании Н. л. реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к т. н. свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки, широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.

В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1 -10 мс, энергия излучения в схемах усиления мощности достигает многих кДж. Характерная длительность импульсов включаемой добротности составляет ок. 10 нc при использовании для модуляции добротности эл.-оптич. устройств. На рис. 2 приведена схема Н. л. с модулиров. добротностью. Характерная энергия лазерного генератора такого типа составляет ~1-2 Дж.

Рис. 2. Схема лазера с модулированной добротностью: 1 - лампа накачки; 2 - активный стержень; 3- модулятор (призма Глана и ячейка Поккельса); 4- глухое зеркало; 5 - частично прозрачное выходное зеркало.

Рис. 3. Схема лазера с самосинхронизацией мод (обозначения те же, что и на рис. 2). Насыщающийся фильтр 6 расположен около глухого зеркала 4.

Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющих фильтров как для модуляции добротности (0,1-10 нс), так и для синхронизации мод (1-10 пс). Схема лазера с самосинхронизацией мод для . генерации импульсов пикосекундной длительности с помощью насыщающегося фильтра приведена на рис. 3. Для того чтобы резонатор лазера обладал только одним чётко выраженным периодом межмодовых биений, грани оптич. элементов этой схемы слегка отклонены от нормали к оптич. оси резонатора, а входной и выходной торцы активного элемента расположены под углом Брюстера к этой оси. Длины волн излучения Н. л. l =1,8; 1,3; 1,06; 0.9 мкм. Области применения Н. л.: технология, медицина, метеорология, дальнометрия, лазерный термоядерный синтез, физ. исследования.

Лит. см. при ст. Твердотельный лазер. Н. В. Карлов

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.