10-4с.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 см3
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 10-310-4с.
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).10-8с. Их пиковая мощность ограничивается при этом
оптич. прочностью активных и пассивных элементов резонатора, к-рая обычно составляет
величину ~ 5•102 МВт на 1 см2 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 Аl2О3 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
4А2, уровнем 2 - полосы 4F2
и 4F1, уровнем 3 - дублет 2Е. 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 см3, получены импульсы энергией 
4•104
Дж, длительностью ~10-9с, что соответствует мощности 
4.1013Вт. Во второй (l
0,53
мкм) и третьей (l
0,35
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 lг= 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
=- 4,3.10-6К-1 для p-поляризации и b=-2,2
10-6К-1 для s-поляризации; для кристалла ИАГ, напр., b
= 7,3•10-6К-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 (lг= 1,053 мкм для s-поляризации и lг = 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 (ВеАl2О4).
В отличие от кристалла рубина, генерация ионов Сr3+ в александрите
осуществляется не только на бесфононной линии перехода 2Е- 4А2, 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 температуры, что обусловлено ростом с температурой 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 (Аl2О3
- Ti3+). Характерная область перестройки: 700-1024 нм. Малость времени
жизни возбуждённого состояния Ti3+ (
3
мкс) при комнатной температуре делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера.
Накачка Аl2О3 -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+ -лазеp 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 температуре) 
3
3,5
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 4I11/2
4I13/2
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 lг = 2,94 мкм; во втором
lг = 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 0,75
1
мкм, что даёт возможность эффективно возбуждать генерацию на ионах Nd3+
, Tm , Но3+ , 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 Но3+
(lг
2,1
мкм), Tm3+ (lг
2,3
мкм), Еr3+ (lг
2,9
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 Но3+ в кристалле ИАГ-Тm3+ -Но3+
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.
И. А. Щербаков
|
|
 |
