ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

- лазер, в к-ром активной средой являются активир. диэлектрич. кристаллы и стёкла или диэлектрич. кристаллы с собственными точечными дефектами. В качестве активаторов кристаллов и стёкол обычно служат ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа. Собственные точечные дефекты в кристаллах возникают под воздействием ионизир. излучения или путём аддитивного окрашивания. Энергетич. уровни активаторов или собств, дефектов используются для создания инверсной населённости [1 ] (см. Квантовая электроника).

По существующей традиции, лазеры на основе полупроводниковых кристаллов выделены в особый класс (см. Полупроводниковый лазер )в силу присущей им специфики возбуждения и образования инверсии населённости на переходах между разрешёнными энергетич. зонами полупроводника (см. Зонная теория). Инверсная населённость в активной среде Т. л. достигается оптич. накачкой- освещением активного элемента (АЭ) спец. лампами, солнечным излучением, излучением пиротехн. устройств или излучением др. лазеров, в частности полупроводниковых.

Генерация Т. л. осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме [2] (см. Накачка). АЭ этих лазеров обычно имеют форму кругового цилиндра или стержня прямоуг. сечения. Иногда применяют и АЭ более сложных конфигураций. Наиб. распространение получила конструкция Т. л., в к-рой цилиндрический АЭ вместе с газоразрядной лампой накачки помещаются в камеру-осветитель, концентрирующую излучение лампы накачки в АЭ. Из-за многократности отражения излучения накачки от внутр. поверхности камеры-осветителя достигается более полное его поглощение в АЭ. Применяют осветители, в к-рых одна лампа накачки работает на нескольких АЭ или, напротив, один АЭ накачивается несколькими или большим числом ламп. Диапазон длин волн генерации Т. л. простирается от УФ- до средней ИК-области. Т. л. работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах (см. Лазер). У существующих Т. л. мощность генерации в непрерывном режиме может достигать 1-3 кВт при уд. энергосъёме ~ 10 Вт с 1 см ³ активной среды при кпд ~3%. Ср. мощность 10³ Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в Т. л. импульсно-периодич. действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10^-310^-4 с.

Т. л. с успехом работают в режиме модуляции добротности резонатора, что позволяет генерировать гигантские импульсы, длительность и энергия к-рых зависят от скорости включения затвора и свойств активной среды. Обычные значения длительности таких импульсов (1 - 10)^.10^-8 с. Их пиковая мощность ограничивается при этом оптич. прочностью активных и пассивных элементов резонатора, к-рая обычно составляет величину ~ 5•10² МВт на 1 см ² поверхности. Объёмная оптич. прочность лазерных материалов обычно оказывается выше. Модуляция добротности резонатора осуществляется как пассивным образом (насыщающиеся поглотители), так и активным (электро- и акустооптич. модуляторы). Иногда применяют и механич. модуляторы, напр. вращающуюся призму.

Большое соотношение ширины контура усиления Т. л. и частоты межмодовых биений (~ 10³) позволяет достаточно просто осуществлять режим синхронизации мод и получать сверхкороткие импульсы длительностью 10^-11 - 10^-13 с, ограниченной обратной шириной линии усиления. Так же, как и модуляция добротности, синхронизация мод в Т. л. осуществляется как активным, так и пассивным образом. Т. л. может также работать в режиме усилителя излучения. При этом коэф. линейного усиления может достигать величины 0,5-0,7 см ^-1.

Лазерный эффект обнаруживает большое кол-во разл. кристаллов и стёкол (неск. сотен), однако реально действующих Т. л., нашедших практич. применение, существенно меньше. К их числу относится лазер на кристалле рубина-первый в мире лазер, созданный в 1960 Т. Мей-маном (Т. Maiman, США).

Рубин представляет собой кристалл корунда Аl₂ О ₃ с примесью (0,05%) ионов Cr³⁺, замещающих в кристал-лич. решётке ионы Аl. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме, в к-рой уровнем 1 является осн. состояние ⁴ А₂, уровнем 2 - полосы ⁴F₂ и ⁴F₁, уровнем 3 - дублет ² Е. В мощных рубиновых лазерах применяют круглые стержни диам. 2 см и дл. 20-30 см. Типичный режим работы-импульсный, реализуются также модуляция добротности, синхронизация мод, усиление мощности. Длина волны генерации рубинового лазера 0,7 мкм.

Наиб. распространённым активатором материалов для Т. л. являются ионы Nd³⁺ (см. Неодимовый лазер). Широкое применение в науке и технике находят лазеры на основе силикатных и фосфатных стёкол с неодимом (см. Лазерные стёкла), генерирующие излучения в области 1,05 мкм. Осн. назначение лазеров на основе стёкол - это генерация одиночных импульсов большой мощности. АЭ из стекла отличаются высоким оптич. качеством, могут иметь большой объём при заданной форме элемента. Лазеры на основе фосфатного стекла с неодимом генерируют самые мощные импульсы генерации. Так, на установке "NOVA" (США), суммарный объём АЭ к-рой составляет 2•10⁶ см ³, получены импульсы энергией 4•10⁴ Дж, длительностью ~10^-9 с, что соответствует мощности 4^.10¹³ Вт. Во второй (l0,53 мкм) и третьей (l0,35 мкм) гармониках частоты осн. перехода при такой же длительности импульсов энергия составляет 2•10⁴ Дж.

Наиб. широко применяемой кристаллич. матрицей с Nd³⁺ является кристалл иттрий-алюминиевого граната (ИАГ-Nd³⁺ ), к-рый в наиб. степени отвечает совр. требованиям квантовой электроники и её приложений. Необходимые спектрально-люминесцентные свойства этого кристалла удачно сочетаются с его высокой механич. прочностью, твёрдостью, значительной теплопроводностью (0,13 Вт/см ^. К); ИАГ-Nd³⁺ -лазеры работают во всех перечисленных выше режимах. Именно на них получены рекордные мощности непрерывной генерации. Длина волны генерации ИАГ-Nd³⁺ -лазера на осн. переходе неодима l _г= 1,064 мкм. Типичные размеры АЭ от 3 50 мм до 10 120 мм.

Находят также применение кристаллы алюмината иттрия (YAlO₃-Nd ) и фторида лития-иттрия (LiYF₄- Nd³⁺ ). Кристаллы алюмината иттрия предпочтительнее кристаллов ИАГ-Nd³⁺ для работы в режиме модулир. добротности, что связано с меньшим значением сечения осн. генерац. перехода и, следовательно, с уменьшением влияния суперлюминесценции и возможностью накопления большей энергии на верхнем лазерном уровне.

Отличит. чертами кристалла фторида лития-иттрия с неодимом являются отрицат. величина и малое абс. значение b= dn/dT -температурного коэф. показателя преломления n(b =-4,3^.10^-6 К ^-1 для p-поляризации и b=-2,2 10^-6 К ^-1 для s-поляризации; для кристалла ИАГ, напр., b = 7,3•10^-6 К ^-1). Это обстоятельство существенно ослабляет проявления термооптич. эффектов, в частности эффекта наведённой термооптич. линзы, что увеличивает пространственную яркость излучения лазера. Длина волны генерации лазера на основе кристалла LiYF₄-Nd³⁺ сдвинута по сравнению с длиной волны генерации ИАГ- Nd³⁺ -лазера в коротковолновую сторону (l _г= 1,053 мкм для s-поляризации и l _г = 1,047 для p-поляризации), что даёт возможность эфф. работы такого лазера с усилителем на основе стекла. Кпд неодимовых лазеров на основе перечисленных кристаллов, как правило, не превышает 2-4% в режиме свободной генерации и 2% в режиме модуляции добротности.

Новые возможности трёхвалентных ионов хрома как активных частиц Т. л. проявились в кристаллах александрита (ВеАl₂ О ₄). В отличие от кристалла рубина, генерация ионов Сr³⁺ в александрите осуществляется не только на бесфононной линии перехода ² Е-⁴ А₂, но и на электронно-колебат. переходе ⁴F₂ -⁴A₂. При этом Т. л. работает по четырёхуровневой схеме и даёт возможность плавной перестройки длины волны генерации. Типичная область перестройки: 730-803 нм.

Особенностью лазера на кристалле александрита является улучшение энергетич. характеристик с нагреванием АЭ выше комнатной темп-ры, что обусловлено ростом с темп-рой величины эфф. сечения генерац. перехода. Нагревание АЭ в этом лазере приводит также к расширению диапазона перестройки длины волны генерации в длинноволновую сторону. Лазер на кристалле александрита также работает во всех упоминавшихся выше режимах, в т. ч. и в режиме больших ср. мощностей, чему способствует высокая теплопроводность этого кристалла (0,23 Вт/см•К).

Плавную перестройку длины волны генерации обеспечивает лазер на кристалле корунда с титаном (Аl₂ О ₃ - Ti³⁺). Характерная область перестройки: 700-1024 нм. Малость времени жизни возбуждённого состояния Ti³⁺ (3 мкс) при комнатной темп-ре делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера. Накачка Аl₂ О ₃ -Ti³⁺ -лазера, как правило, осуществляется или непрерывным аргоновым лазером, или импульсами второй гармоники неодимового лазера. При этом эффективность трансформации излучения лазерной накачки в генерацию ионов титана может превышать 20 %.

Перестройка длины волны генерации в широком спектральном диапазоне осуществляется в лазерах на центрах окраски (см. Лазеры на центрах окраски), к-рые также обычно работают с накачкой др. лазером.

К существ. возрастанию кпд Т. л. привела реализация донорных способностей ионов Сr³⁺ относительно трёхвалентных ионов редкоземельных элементов (см. Сенсибилизированная люминесценция )в кристаллах гранатов. Высокая изоморфная ёмкость этих кристаллов в отношении редкоземельных ионов и ионов группы железа допускает введение необходимых концентраций обоих типов частиц без ухудшения оптич. качества кристаллов (см. Изоморфизм). Специфика энергетич. структуры ионов Сr³⁺ в кристаллах гранатов обеспечивает полную и быструю передачу энергии из его электронно-колебат. полос на верхние лазерные уровни ионов редкоземельных элементов.

К семейству хромсодержащих гранатов, работающих на осн. переходе неодима в области 1,06 мкм, прежде всего относятся кристаллы гадолиний-скандий-галлиевого (ГСГГ), иттрий-скандий-галлиевого (ИСГГ) и гадолиний-скандий-алюминиевого (ГСАГ) гранатов. Эти кристаллы предназначены для импульсного и импульсно-периодиче-ского режимов работы. В лазере на кристалле ГСГГ- Cr³⁺ -Nd³⁺ в режиме свободной генерации в области накачек 1-3 Дж достигнут кпд 6%. На кристалле ИСГГ-Cr³⁺-Nd³⁺ при накачке 200 Дж абс. кпд достигает 10% в режиме свободной генерации. ИСГГ- Cr³⁺ -Nd³⁺ -лaзep в режиме модуляции добротности и частоте повторения импульсов до 50 с ^-1 обеспечивает абс. кпд 6% при энергии за импульс 0,4 Дж, что ограничивается оптич. прочностью торца АЭ. Длина волны излучения этого лазера (1,058 мкм) хорошо согласуется с контуром усиления фосфатного стекла с неодимом, что позволяет эффективно использовать эту пару в системе: задающий генератор - усилитель. Кристалл ГСАГ- Cr³⁺ -Nd³⁺ имеет спектрально-люминесцентные свойства, аналогичные свойствам кристаллов ГСГГ-Сr³⁺ - Nd³⁺ и ИСГГ-Cr³⁺ -Nd³⁺ . При этом величина теплопроводности этого кристалла (0,11 Вт/см•К) приближается к теплопроводности кристалла ИАГ.

Длинноволновая граница эфф. генерации Т. л. с ламповой накачкой (при комнатной темп-ре) 33,5 мкм. При меньших энергетич. зазорах вероятность многофо-нонных безызлучательных переходов оказывается существенно больше вероятности излучения, что обусловливает малые величины квантового выхода люминесценции и времени жизни возбуждённого состояния. Эта длина волны обеспечивается, напр., переходом ⁴I_11/2⁴I_13/2 ионов эрбия (Еr³⁺). Генерация излучения ионами Еr³⁺ при ламповой накачке с кпд, превышающим 1%, получена на кристаллах ИАГ-Еr³⁺ и ИСГГ-Сr³⁺ -Еr³⁺ . В первом случае длина волны генерации l _г = 2,94 мкм; во втором l _г = 2,79 мкм. Реализован режим модуляции добротности с частотой повторения импульсов до 100 с ^-1.

Развитие полупроводниковых лазеров сделало перспективным использование их для накачки Т. л. Полупроводниковые лазеры (ПЛ) на основе монокристаллов арсенида галлия путём изменения состава позволяют получать генерацию в области 0,751 мкм, что даёт возможность эффективно возбуждать генерацию на ионах Nd³⁺ , Tm , Но ³⁺ , Еr³⁺ и Yb³⁺ [5]. Накачка излучением ПЛ является близкой к резонансной, что в значит. степени снимает проблему наведённых термич. искажений в АЭ и позволяет относительно легко достигать предельно высокой направленности лазерного пучка. Получена непрерывная генерация на ионах Но ³⁺ (l _г2,1 мкм), Tm³⁺ (l _г2,3 мкм), Еr³⁺ (l _г2,9 мкм), а также на разл. переходах ионов Nd³⁺ . Порог генерации по мощности накачки в нек-рых случаях составляет единицы милливатт. Так, напр., порог генерации на ионах Но ³⁺ в кристалле ИАГ-Тm³⁺ -Но ³⁺ равен 4 МВт, а порог генерации на осн. переходе ионов Nd³⁺ в стекле не превышает 2 мВт. На целом ряде кристаллов с неодимом получена генерация второй гармоники. На осн. переходе неодима реализованы режимы модуляции добротности и синхронизации мод. Общий кпд неодимового непрерывного лазера с накачкой излучением ПЛ на длине волны генерации 1,06 мкм достигает 20%.

Т. л. с накачкой ПЛ совмещает в себе достоинства твердотельного и полупроводникового лазеров. По сути дела, активная среда Т. л. является эфф. концентратором излучения ПЛ по спектру, во времени и в пространстве. Ожидается бурное развитие этой области лазеростроения.

Развитие Т. л., работающих в режиме высоких ср. мощностей (субкиловаттный и киловаттный диапазоны), связано с заменой цилиндрических АЭ на прямоугольные, в к-рых лазерное излучение проходит, многократно отражаясь от боковых поверхностей АЭ. В этом случае неоднородности разл. природы, наведённые накачкой, оказываются скомпенсированными и слабо влияют на качество выходного пучка.

Применения Т. л. чрезвычайно разнообразны. Это-лазерная технология (сварка, резка и др.), технология электронных приборов, медицина, лазерная локация, системы контроля состава атмосферы, оптич. обработка информации, интегральная и волоконная оптика, лазерная спектроскопия, лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез, лазерная химия и лазерное разделение изотопов, нелинейная оптика, сверхскоростная фотография, лазерные гироскопы, сейсмографы и другие точные физ. приборы.

Лит.:1) Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова, т. 1, М., 1978, гл. 11 - 15; 2) Карлов Н. В., Лекции по квантовой электронике, 2 изд., М., 1988; 3) Прохоров А. М., Новое поколение твердотельных лазеров, "УФН", 1986, т. 148, с. 7; 4) Прохоров А. М., Щербаков И. А., Лазеры на кристаллах редкоземельных гранатов с хромом, "Изв. АН СССР, сер. физ.", 1987, т. 51, № 8, с. 1341; 5) OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers. February 7-10, 1994 in Salt Lake City, UT, v. 20. И. А. Щербаков.

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