Твердотельные лазеры.

Спонтанные процессы излучения происходят повсюду и повсеместно. Это излучение нагретых тел, светящихся газов, электрических разрядов и т. д. Чтобы практически получить индуцированное излучение, следует обеспечить выполнение следующих основных условий:

1. Необходимо иметь активное вещество с инверсией населенности DN = N_n-N_m, где N_n и N_m - населенность уровней энергии Е_n, Е_m, которая достигается накачкой.

2. Активное вещество необходимо поместить в оптический резонатор (систему двух параллельных зеркал), чтобы осуществить положительную обратную связь. В результате этого часть излучаемой энергии, распространяясь внутри активного вещества, усиливается за счет вынужденного испускания фотонов все новыми и новыми атомами, вовлекаемыми в процесс излучения.

3. Усиление, создаваемое активным веществом, должно быть больше некоторого суммарного порогового значения потерь энергии в резонаторе, определенного для каждого твердого тела. Генерация будет возможна при выполнении условий самовозбуждения.

В таких лазерах используют трех и четырех уровневые системы.

В общем случае в таких лазерах изменение населенности уровней обусловлено тремя квантовыми механизмами:

- спонтанными переходами частиц на нижний энергетический уровень;

- индуцированным излучением и поглощением;

- безизлучательными переходами, возбуждаемыми тепловыми процессами и взаимодействием с колебаниями кристаллической решетки.

В твердотельных лазерах в качестве активной среды используются кристаллические или аморфные (стеклообразные) диэлектрики, содержащие центры люминесценции (активные центры). В этих лазерах в качестве активных сред используются твердые вещества (рубин, стекло, иттрий-аллюминиевый гранат и т. д.).

Твердотельный активный элемент выполняется в виде цилиндрического стержня, на торцы которого наносят зеркальные покрытия, образующие резонатор (однако, резонаторы могут быть и внешними).

Рассмотрим основные особенности твердотельных лазеров.

Большинство реальных твердотельных лазеров имеет длину до нескольких десятков сантиметров (хотя, в принципе, возможно получение l_р <1см) при диаметре d =0,5…5см. Такие размеры определяют малую расходимость лазерного луча (j_изл=1^о). Из-за высокой концентрации активных атомов их энергетические уровни расщепляются в зоны. Поэтому монохроматичность этих лазеров хуже, чем у газовых, но лучше, чем у полупроводниковых лазеров. Для них коэффициент монохроматичности Dl/l_max£10^-4.

Структурная схема твердотельного лазера

В состав схемы входят следующие устройства. Излучательная головка (ИГ), которая предназначена для преобразования электрической энергии сначала в световую, а затем в энергию монохроматического лазерного излучения. Блок конденсаторов (БК), предназначенный для накопления электрической энергии. Выпрямительное устройство (В), преобразующее переменное напряжение в напряжение постоянного тока. Блок поджига (БП), вырабатывающий высоковольтный импульс напряжения для запуска лампы - вспышки (ЛВ) излучательной головки. Пульт управления (ПУ) предназначен для управления работой и контроля основных параметров лазерного устройства. Излучательная головка является основным элементом лазера и состоит из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора (иногда эллипсо-цилиндрического).

Первым твердотельным лазером был рубиновый лазер. При этом использовались кристаллы синтетического рубина с содержанием хрома 0,05% (розовый цвет) и 0,5% (ярко красный цвет). Основная особенность рубинового лазера – это генерация излучения в видимой части спектра: l _изл =0,694мкм. При работе в непрерывном режиме мощность излучения P_непр =0,1…1Вт.

Рубин -окись алюминия, в котором часть атомов Al заменена атомами хрома (от 0, 05 до 0, 5%). Торцевые поверхности стержня полируют, делают параллельными с точностью до 9...19′и покрывают серебром или диэлектриком с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12 классу. Рефлектор осуществляет распределение света от ЛВ на рубиновый стержень. Блок поджига формирует высоковольтный импульс, амплитудой U = 10 КВ для начальной ионизации газа в лампах. Поддерживает свечение лампы вспышки блок конденсаторов.

Оптимальными параметрами среди твердотельных лазеров обладают лазеры на иттрий–алюминиевом гранате, активированном неодимом (ИАГ: Nd). Его состав выражается формулой Y₃Al₅O₅. Причем в его кристаллической решетке часть атомов иттрия замещено ионами неодима. ИАГ: Nd лазер генерирует на длине волны l=1,06 мкм, что почти оптимально для волоконно-оптических линий связи, так как на этой длине волны потери малы. При использовании l_изл=0,53 мкм мы оказываемся в спектральной области, обеспеченной высокоскоростными фотодиодами с барьером Шоттки. Эти лазеры способны обеспечить в непрерывном режиме оптическую мощность P_непр =10…10⁴Вт, P_имп =30…300кВт (при t_и=30нс, f= 10⁸…10⁹Гц).

Как правило, почти все твердотельные лазеры имеют оптическую систему накачки. Чаще всего для этих целей используют излучение газоразрядных ламп, но иногда используют светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Применение оптической накачки снижает КПД этих лазеров.

Возникающее световое излучение приводит к переходу ионов хрома в возбужденное состояние. В стержне возникает генерация и вся энергия, запасенная в возбужденных ионах активного вещества, высвобождается в одном коротком импульсе, длительность которого достигает t_и = 10^-9 с, а Р_и достигает 50 МВт.

В связи с тем, что концентрация активных центров в твердом теле гораздо выше, чем в газах, при небольших размерах можно получать значительные мощности лазерного излучения.

Так лазер типа ОГМ-20 на рубине при t _и = 20 нс обеспечивает Р_и = 2´10⁴ КВт, а лазер типа ЛТИПЧ-1 на стекле при t _и = 15 нс обеспечивает Р_и =10⁵ КВт.

Главные недостатки газовых и твердотельных лазеров – это невозможность внутренней модуляции излучения. Эксплуатационные характеристики неинжекционных лазеров также не всегда удовлетворительны. Так долговечность большинства из них не превышает (0.5…5)10³ час, рабочая температура газовых лазеров иногда ограничена узким диапазоном –10…+40⁰С. Поэтому неинжекционные лазеры применяются лишь в отдельных областях оптоэлектроники: газовые лазеры пока не заменимы в голографических ЗУ, твердотельные – в лазерной локации, лазеры с электронным возбуждением перспективны в проекционном телевидении.

Основным недостатком этого типа мощных лазеров является невысокий КПД, составляющий 1...3,5%.

Таким образом: