Гиперссылка 3.5. Рубиновый лазер

Первый квантовый генератор света был создан в 1961 году Мейманом (р.1927) на рубине.

Рубин - это твёрдый кристалл, основой которого является корунд, т.е. кристалл окиси алюминия (Al ₂ O ₃), в котором небольшая часть атомов алюминия (около 0,05%) замещена ионами хрома Cr ⁺⁺⁺.

Для создания инверсной заселённости используется оптическая накачка, т.е. освещение кристалла рубина мощной вспышкой света.

Рубину придают форму цилиндрического стержня, концы которого тщательно отполированы, посеребрены, и служат зеркалами для лазера.

Для освещения рубинового стержня применяют импульсные ксеноновые газоразрядные лампы-вспышки, через которые разряжаются батареи высоковольтных конденсаторов. Лампа-вспышка имеет форму спиральной трубки, обвивающейся вокруг рубинового стержня. Под действием мощного импульса света в рубиновом стержне создаётся инверсная заселённость и благодаря наличию зеркал возбуждается лазерная генерация, длительность которой чуть меньше длительности вспышки накачивающей лампы.

Строение рубинового лазера

 

Гиперссылка 3.6 Неодимовый лазер

Неодимовый лазер - лазер, генерирующий оптическое излучение за счёт квантовых переходов между энергетическими состояниями трёхвалентных ионов Nd³⁺, помещённых в конденсированную среду (матрицу), напр. диэлектрические кристаллы и стёкла, полупроводники, металлоорганические или неорганические жидкости.

Концентрация Nd³⁺, вводимых в матрицу, ограничена эффектом концентрации тушения люминесценции и обычно ~ 1-3 ∙10²⁰ см ^-3. В некоторых кристаллах и стёклах этот эффект ослаблен и концентрация
~10²¹ см ^-3.

Наиболее перспективны фосфатные и силикатные стёкла, кристаллы иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) и гадолиний-скандий-галлиевого граната (ГСГГ).

Ионы Nd³⁺ - наиболее распространённые рабочие частицы твердотельных лазеров. Они легко активируют многие матрицы.

Накачка переводит ионы Nd³⁺ из основного состояния ⁴I_9/2 в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего 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. 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 ⁴ I _11/2 и ⁴ I _9/2, равная 2000 см ^-1, обеспечивает четырёхуровневый характер генерации Н. л. Чем ближе к уровню ⁴ F _3/2 расположены полосы поглощения, тем выше кпд генерации.

В стёклах из-за неоднородности локальных электростатических полей линия люминесценции 1,06 мкм сильно уширена (до Δλ 30 нм; неоднородное уширение). В кристаллах ИАГ однородное уширение составляет примерно 0,7 нм. Сильное неоднородное уширение приводит к тому, что неодимовое стекло имеет меньшее усиление, а соответствующие лазеры - более богатую модовую 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 стехиометрическом замещении иона Y³⁺ на Nd³⁺.

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

 

Иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (лазерный материал)

Колба лампы из неодимового стекла: слева - при свете люминесцентной лампы, справа - при свете лампы накаливания