Твердотельные лазеры отличаются от газовых принципиально только характером накачки. Для создания когерентного излучения используется оптическая накачка.

Накачка производится обычно через охлаждающую рабочее вещество жидкость и осуществляется с помощью излучения газоразрядных ламп, светодиодов, лазеров и т.п. Наиболее широко применяют ламповую накачку.

Обычно в конструкции твердотельного лазера (рис. 3.19) используются активный (лазерный) стержень 1 и лампа накачки 2 одинаковой («карандашной») конструкции. Зеркала 3 и 4 оптического резонатора разделены управляющим оптическим затвором 5 . Для эффективного применения энергии оптической накачки стержень 1 и лампа 2 помещены в замкнутый рефлектор 6 эллиптической формы. При этом элементы 1 и 2 размещаются в фокусах эллиптического сечения рефлектора, что позволяет сконцентрировать энергию оптической накачки в объеме активной среды. Рефлектор 6 заполнен охлаждающей жидкостью, которая периодически прокачивается через лазер.

В качестве активной среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции.

Рисунок. 3.19 – Твердотельный лазер непрерывного действия (вариант конструкции)

Среди лазерных материалов наиболее представительной является группа ионных кристаллов с примесями. Кристаллы неорганических соединений фторидов (CaF 2 , LaF 3 , LiYF 4 ), оксидов (Al 2 O 3 ) и сложных соединений (CaWO 4 , Y 3 Al 15 O 12 , Ca 5 (PO 4 ) 3 F) содержат в кристаллической решетке ионы активных примесей, редкоземельных (самария Sm 2+ , диспрозия Dy 2+ , тулия Tw 2+ , Tw 3+ , празеодима Pr 3+ , неодима Nd 3+ , эрбия Er 3+ , гольмия Нo 3+), переходных (хрома Cr 3+ , никеля Ni 2+ , кобальта Со 2+ , ванадия V 2+) элементов или ионов урана U 3+ . Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких процентов (по массе). Генерация возбуждается методом оптической накачки, причем энергия в основном поглощается примесными ионами. Рассматриваемые лазерные материалы отличаются высокой концентрацией активных частиц (10 19 ­-10 21 см -3), весьма небольшой шириной линии генерации (0,001-­0,1 нм) и малой угловой расходимостью генерируемого излучения.

К недостаткам этих материалов следует отнести низкий (1­5%) коэффициент преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в системе «лампа накачки-кристалл», сложность изготовления лазерных стержней больших размеров и необходимой их оптической однородности.

Лазерные кристаллы с дозированными примесями выращиваются, как правило, направленной кристаллизацией расплава в специальных (кристаллизационных) аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность температуры расплава и скорости роста кристалла. Из выращенных кристаллов вырезаются цилиндрические стержни длиной до 250 мм и диаметром 2-20 мм. Торцы стержней шлифуются, а затем полируются. В большинстве случаев стержни изготавливаются с плоскими торцами, параллельными друг другу, с точностью 3-5", и строго перпендикулярными геометрической оси стержня. Возможно применение торцов сферической или другой (нестандартной) конфигурации.

В качестве активного элемента в первом промышленном лазере использовался рубин .

Рубин (от лат. ruberus - красный и позднелат. rubinus) является разновидностью минерала корунда (Al 2 O 3), но содержит примеси ионов хрома Cr 3+ (от сотых долей до 2%, как правило, 0,05%), которые замещают ионы алюминия Al 3+ и (в отличие от бесцветного корунда) определяют красный цвет рубина. Длина волны лазерных колебаний рубина λ = 694,3 нм.

В настоящее время твердотельные лазеры создаются в основном на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната с добавкой ионов неодима (Nd: YAG). Активной средой в них является кристалл Y 3 Al 5 O 12 , в котором часть ионов Y 3+ замещена ионами трёхвалентного ниодима Nd 3+ .

Nd: YAG-лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. При работе в импульсном режиме для накачки используются ксеноновые лампы (при мощности накачки ~10 Вт), в непрерывном – криптоновые (при мощности накачки ~100 Вт). Размеры стержней такие же, как и у рубинового лазера.

Выходные параметры мощности:

в непрерывном многомодовом режиме - до 500 Вт;

в импульсном режиме с большой частотой повторения импульсов (50 Гц) - до 200 Вт;

в режиме РМД - до 50 МВт.

В устройствах CtP используются лазеры мощностью от 1 Вт до нескольких кВт. КПД составляет от 3 (при использовании для накачки ламп) до 10% (при применении для накачки диодов). Глубина резкости при этом достигает 60 мкм. Используют лазеры с длиной волны 1064 нм, а также с удвоенной частотой (532 нм).

Для эффективного использования энергии излучения лампы накачки применяют замкнутый рефлектор, заполненный охлаждающей жидкостью, прокачиваемой через его объем. Одной из наиболее эффективных форм рефлектора является эллиптическая. При такой форме сечения рефлектора лампу накачки и активный элемент располагают в фокусах эллиптического сечения, что обеспечивает максимальную концентрацию световой энергии накачки в толще активного элемента.

В качестве зеркал оптического резонатора в твердотельном лазере могут использоваться оптически обработанные торцы активного элемента, в случае необходимости снабжаемые отражающими покрытиями для получения требуемых значений коэффициентов отражения и пропускания. Если необходимо получить специальные свойства лазерного излучения (характер поляризации, модовый состав и т.п.), зеркала оптического резонатора могут быть и внешними, что также может быть обусловлено технологией оптической обработки и нанесения покрытий.

Активный элемент и лампа накачки твердотельного лазера обычно требуют жидкостного охлаждения в тех случаях, когда мощность излучения лазера не является достаточно малой (на уровне милливатт). Это приводит к усложнению конструкции, так как через охлаждающую жидкость будет проходить энергия накачки, которая не должна заметно поглощаться этой жидкостью.

Обычно твердотельные лазеры, кроме источника питания, комплектуются специальной системой охлаждения с насосом и теплообменником, что ведет к снижению суммарного коэффициента полезного действия и вызывает необходимость выполнения дополнительных профилактических работ при эксплуатации.

Вариант исполнения ND:YAG­лазера с ламповой накачкой приведен на рис. 3.20. Твердотельные ND:YAG­лазеры с ламповой накачкой были первыми лазерными источниками, примененными в системах CtP для флексографии. Сегодня они установлены во многих системах, ибо являются проверенным надежным решением. Компоненты таких лазеров отрабатывались в течение нескольких десятилетий, и сегодня их производством занимаются сотни компаний во всем мире.

Рисунок 3.20. Вариант исполнения ND:YAG-лазера с ламповой накачкой: 1 - заднее зеркало; 2 - лампа накачки; 3 - кристалл Nd:YAG; 4 - отражатель; 5 - заслонка; 6 - выходное зеркало; 7 - модулятор света; 8 - фокусирующая оптическая система

Ряд недостатков, присущих этим лазерам, вынудил в некоторых случаях искать им замену. Развитие и совершенствование лазерной техники в 90­е годы. привело к распространению твердотельных лазеров, где ламповый источник света был заменен полупроводниковыми лазерами (диодами). Один из вариантов оптической системы таких лазеров представлен на рис. 3.21.

Рисунок 3.21– Вариант исполнения Nd:YAG-лазера с полупроводниковой накачкой: 1 – заднее зеркало; 2 – лазерные диоды оптической накачки; 3 – кристалл Nd:YAG; 4 – корпус; 5 – заслонка; 6 – выходное зеркало, 7 – модулятор света; 8 – фокусирующая оптическая система

В лазерах с полупроводниковой (диодной) накачкой вместо ламп используются мощные лазерные диоды, излучающие свет именно той длины волны (808 нм), которая необходима для генерации лазерного излучения кристаллом Nd:YAG­лазера. Главное отличие этих лазеров от лазеров с ламповой накачкой заключается в значительно более высокой (на порядок) эффективности преобразования излучения мощных лазерных диодов, что позволяет избежать высокого электропотребления и обойтись без интенсивного внешнего водяного охлаждения (внутренний контур водяного охлаждения активного тела лазера все же необходим). Все это делает системы записи изображения с такими лазерами более удобными в эксплуатации.

Мощность лазеров с полупроводниковой накачкой позволяет расщепить пучок лазерного излучения на несколько раздельно управляемых пучков, причем без ухудшения качества излучения. Вследствие этого такие лазеры незаменимы для построения многолучевых оптических систем записи, используемых для повышения производительности, поскольку несколько лучей экспонируют материал параллельно.

В устройствах с расщеплением лазерного пучка (в отличие от систем, где используются два различных лазера) с течением времени на растровом изображении не появляется полошения. Известно, что в лазерах через какое­то время может происходить слабое отклонение лазерного пучка, которое выражается в небольшом (в несколько микрон) смещении пятна записи на материале в произвольном направлении. Но когда два луча получаются посредством расщепления единого пучка, это смещение для обоих пятен записи происходит синхронно и не приводит к проблемам. Если же применены два лазера, то возможно рассогласование пятен, которое приводит к появлению полос на изображении. Этот эффект можно устранить только повторной калибровкой, которая может быть выполнена лишь силами специально обученного персонала.

Твердотельные лазеры имеют следующие достоинс тва:

небольшая длина волны позволяет получить пятно диаметром менее 10 мкм и значительно повысить разрешение записи;

минимальные потери при прохождении по оптоволоконным световодам и легкость модуляции упрощают конструкцию лазерных установок;

значительное число известных материалов (в особенности металлов) имеют высокий коэффициент поглощения в области излучаемых длин волн, что облегчает разработку формных пластин и повышает эффективность лазерной записи.

По сравнению с СО 2 лазерами они работают на значительно более короткой длине волны, что позволяет фокусировать излучение твердотельных лазеров в пятно меньшего размера. По сравнению с аргоновыми лазерами они обеспечивают в 2-3 раза большее значение коэффициента полезного действия. К их преимуществам относятся также компактность, мобильность и т.д.

По сравнению с газовыми, лазеры на гранате являются более дорогими и при эксплуатации требуют большего внимания к профилактике – необходимы периодическая замена ламп накачки, поддержание чистоты охлаждающей жидкости, через которую осуществляется накачка. Кроме того, в лазере на гранате существуют некоторые трудности с обеспечением стабильности излучения.

В CtP-устройствах, оснащенных твердотельными лазерами, компании предлагают фотополимеризующиеся и серебросодержащие формные пластины, а также пластины с гибридными и термочувствительными слоями. При этом под воздействием лазера с длиной волны 1064 нм термочувствительные слои могут подвергаться термодеструкции, абляции или термоструктурированию.

Твердотельными YAG-лазерами оснащаются CtP-устройства Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) и многие другие. Однако в последнее время все чаще вместо твердотельных лазеров используются лазерные диоды.

В ФНА твердотельные лазеры практически не применяются.

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

- , в к-ром активной средой являются активир. диэлектрич. 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 в кристаллах возникают под воздействием ионизир. излучения или путём аддитивного окрашивания. Энергетич. уровни активаторов или собств, дефектов используются для создания инверсной населённости (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 (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 лампы накачки в АЭ. Из-за многократности отражения излучения накачки от внутр. поверхности камеры-осветителя достигается более полное его 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. генерации в непрерывном режиме может достигать 1-3 кВт при уд. энергосъёме ~ 10 Вт с 1 см 3 активной среды при ~3%. Ср. мощность 10 3 Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в Т. л. импульсно-периодич. действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10 -3 10 -4 с.

Т. л. с успехом работают в режиме модуляции добротности резонатора, что позволяет генерировать гигантские импульсы, длительность и 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 10 2 МВт на 1 см 2 поверхности. Объёмная оптич. 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 (~ 10 3) 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 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 Аl 2 О 3 с примесью (0,05%) ионов Cr 3+ , замещающих в кристал-лич. решётке ионы Аl. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме, в к-рой уровнем 1 является осн. состояние 4 А 2 , уровнем 2 - полосы 4 F 2 и 4 F 1 , 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 генерации рубинового лазера 0,7 мкм.

Наиб. распространённым активатором материалов для Т. л. являются ионы Nd 3+ (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 10 6 см 3 , получены импульсы энергией 4 10 4 Дж, длительностью ~10 -9 с, что соответствует мощности 4 . 10 13 Вт. Во второй (l0,53 мкм) и третьей (l0,35 мкм) гармониках частоты осн. перехода при такой же длительности импульсов энергия составляет 2 10 4 Дж.

Наиб. широко применяемой кристаллич. матрицей с Nd 3+ является кристалл иттрий-алюминиевого граната (ИАГ-Nd 3+), 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-Nd 3+ -лазеры работают во всех перечисленных выше режимах. Именно на них получены рекордные мощности непрерывной генерации. Длина волны генерации ИАГ-Nd 3+ -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 (YAlO 3 -Nd) и фторида лития-иттрия (LiYF 4 - Nd 3+). Кристаллы алюмината иттрия предпочтительнее кристаллов ИАГ-Nd 3+ 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 излучения лазера. Длина волны генерации лазера на основе кристалла LiYF 4 -Nd 3+ сдвинута по сравнению с длиной волны генерации ИАГ- Nd 3+ -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 (ВеАl 2 О 4). В отличие от кристалла рубина, генерация ионов Сr 3+ в александрите осуществляется не только на бесфононной линии перехода 2 Е- 4 А 2 , но и на электронно-колебат. переходе 4 F 2 - 4 A 2 . 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 этого кристалла (0,23 Вт/см К).

Плавную перестройку длины волны генерации обеспечивает лазер на кристалле корунда с титаном (Аl 2 О 3 - Ti 3+). Характерная область перестройки: 700-1024 нм. Малость времени жизни возбуждённого Ti 3+ (3 мкс) при комнатной темп-ре делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера. Накачка Аl 2 О 3 -Ti 3+ -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 Сr 3+ 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 Сr 3+ 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- Cr 3+ -Nd 3+ в режиме свободной генерации в области накачек 1-3 Дж достигнут кпд 6%. На кристалле ИСГГ-Cr 3+ -Nd 3+ при накачке 200 Дж абс. кпд достигает 10% в режиме свободной генерации. ИСГГ- Cr 3+ -Nd 3+ -лaзep в режиме модуляции добротности и частоте повторения импульсов до 50 с -1 обеспечивает абс. кпд 6% при энергии за 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- Cr 3+ -Nd 3+ имеет спектрально-люминесцентные свойства, аналогичные свойствам кристаллов ГСГГ-Сr 3+ - Nd 3+ и ИСГГ-Cr 3+ -Nd 3+ . 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 излучения, что обусловливает малые величины квантового выхода люминесценции и времени жизни возбуждённого состояния. Эта обеспечивается, напр., переходом 4 I 11/2 4 I 13/2 ионов эрбия (Еr 3+). Генерация излучения ионами Еr 3+ при ламповой накачке с кпд, превышающим 1%, получена на кристаллах ИАГ-Еr 3+ и ИСГГ-Сr 3+ -Еr 3+ . 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 Nd 3+ , Tm , Но 3+ , Еr 3+ и Yb 3+ . 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 г 2,1 мкм), Tm 3+ (l г 2,3 мкм), Еr 3+ (l г 2,9 мкм), а также на разл. переходах ионов Nd 3+ . Порог генерации по мощности накачки в нек-рых случаях составляет единицы милливатт. Так, напр., порог генерации на ионах Но 3+ в кристалле ИАГ-Тm 3+ -Но 3+ равен 4 МВт, а порог генерации на осн. переходе ионов Nd 3+ 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, 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 , системы контроля состава атмосферы, оптич. обработка информации, интегральная и , лазерная спектроскопия, лазерная и управляемый термоядерный синтез, и лазерное разделение изотопов, сверхскоростная , 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. Справочник технического переводчика - оптический квантовый генератор, активной средой которого является кристалл или стекло с примесью активаторов. В особую группу выделяются полупроводниковые лазеры. Наиболее распространены твердотельные лазеры на кристаллах рубина (Al2O3 с примесью … Энциклопедический словарь

твердотельный лазер - kietojo kūno lazeris statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. solid state laser vok. Festkörperlaser, m; Laser mit Festkörpermedium, m rus. твердотельный лазер, m pranc. laser à l état solide, m … Automatikos terminų žodynas

твердотельный лазер - kietojo kūno lazeris statusas T sritis chemija apibrėžtis Lazeris, kurio aktyvioji terpė – kristalas arba stiklas. atitikmenys: angl. solid laser; solid state laser rus. твердотельный лазер … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

твердотельный лазер - kietojo kūno lazeris statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. solid laser; solid state laser vok. Vierniveaulaser, m rus. твердотельный лазер, m pranc. laser à l’état solide, m; laser solide, m … Fizikos terminų žodynas

Лазер, в к ром активная среда представляет собой кристаллич. или аморфную основу (матрицу), содержащую активные ионы (ионы активаторы, например неодима, хрома) на к рых осуществляется лазерная генерация. Возбуждается внеш. источником света… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Оптический квантовый генератор, активной средой к рого является кристалл или стекло с примесью активаторов. В особую группу выделяются полупроводниковые лазеры. наиб. распространены Т. л. на кристаллах рубина (А12О3 с примесью ионов Сr3+), а… … Естествознание. Энциклопедический словарь

- (Diode pumped solid state laser, DPSS) разновидность твердотельного лазера, в которой в качестве накачки используется лазерный диод. DPSS лазеры характеризуются высокой эффективностью и компактностью по сравнению с газовыми и другими… … Википедия

Твердотельный лазер — это лазер, в котором активной средой являются активированные диэлектрические кристаллы и стёкла или диэлектрические 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 ионизирующего излучения или путём аддитивного окрашивания. Энергетические уровни активаторов или собственных дефектов используются для создания инверсной населённости.

Широко используются лазеры на кристалле рубина — оксида алюминия (Al 2 O 3), в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr 3+ , на алюмо-иттриевом гранате (Y 3 Al 5 O 12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd 3+), тербия (Tb 3+), иттербия (Yb 3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол.

Диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.

Генерация твердотельных лазеров осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Активный элемент этих лазеров обычно имеют форму кругового цилиндра или стержня прямоугольного сечения. Иногда применяют и активный элемент более сложных конфигураций. Наибольшее распространение получила конструкция твердотельных лазеров, в которой цилиндрический активный элемент вместе с газоразрядной лампой накачки помещаются в камеру-осветитель, концентрирующую излучение лампы накачки в активный элемент. Из-за многократности отражения излучения накачки от внутренней поверхности камеры-осветителя достигается более полное его поглощение в активный элемент. Применяют осветители, в которых одна лампа накачки работает на нескольких активных элементах или, напротив, один активный элемент накачивается несколькими или большим числом ламп.

Диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Твердотельные лазеры работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах. У существующих твердотельных лазеров мощность генерации в непрерывном режиме может достигать 1-3 кВт при удельном энергосъёме ~ 10 Вт с 1 см 3 активной среды при КПД ~3%. Средняя мощность 10 3 Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в твердотельных лазерах импульсно-периодического действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10 -3 10 -4 с.

Твердотельные лазеры занимают уникальное место в развитии лазеров. Это простые в обслуживании устройства, способные генерировать энергию высокой мощности.

Для накачки твердотельных лазером могут использоваться светодиоды, лампы, другие лазеры. Твердотельные лазеры с диодной накачкой называются DPSS - diode-pumped solid-state.

Твердоте́льный ла́зер - лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии (в отличие от газов в газовых лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).

Разновидностями твердотельного лазера являются волоконный лазер и полупроводниковый лазер. К твердотельным относятся также лазеры, в которых в качестве активной среды используются различные стекла и кристаллы, активированные редкоземельными элементами. Самым первым твердотельным лазером был излучатель на рубине, накачка осуществлялась газоразрядной лампой.

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. 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 . 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 10 3 Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в Т. л. импульсно-периодич. действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10 -3 10 -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 10 2 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 (~ 10 3) 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 Аl 2 О 3 с примесью (0,05%) ионов Cr 3+ , замещающих в кристал-лич. решётке ионы Аl. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме, в к-рой уровнем 1 является осн. состояние 4 А 2 , уровнем 2 - полосы 4 F 2 и 4 F 1 , 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 Nd 3+ (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 10 6 см 3 , получены импульсы энергией 4 10 4 Дж, длительностью ~10 -9 с, что соответствует мощности 4 . 10 13 Вт. Во второй (l0,53 мкм) и третьей (l0,35 мкм) гармониках частоты осн. перехода при такой же длительности импульсов энергия составляет 2 10 4 Дж.

Наиб. широко применяемой кристаллич. матрицей с Nd 3+ является кристалл иттрий-алюминиевого граната (ИАГ-Nd 3+), 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-Nd 3+ -лазеры работают во всех перечисленных выше режимах. Именно на них получены рекордные мощности непрерывной генерации. Длина волны генерации ИАГ-Nd 3+ -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 (YAlO 3 -Nd) и фторида лития-иттрия (LiYF 4 - Nd 3+). Кристаллы алюмината иттрия предпочтительнее кристаллов ИАГ-Nd 3+ 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 LiYF 4 -Nd 3+ сдвинута по сравнению с длиной волны генерации ИАГ- Nd 3+ -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 (ВеАl 2 О 4). В отличие от кристалла рубина, генерация ионов Сr 3+ в александрите осуществляется не только на бесфононной линии перехода 2 Е- 4 А 2 , но и на электронно-колебат. переходе 4 F 2 - 4 A 2 . 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 (Аl 2 О 3 - Ti 3+). Характерная область перестройки: 700-1024 нм. Малость времени жизни возбуждённого состояния Ti 3+ (3 мкс) при комнатной темп-ре делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера. Накачка Аl 2 О 3 -Ti 3+ -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, к-рые также обычно работают с накачкой др. лазером.

К существ. возрастанию кпд Т. л. привела реализация донорных способностей ионов Сr 3+ относительно трёхвалентных ионов редкоземельных элементов 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. Специфика энергетич. структуры ионов Сr 3+ в кристаллах гранатов обеспечивает полную и быструю передачу энергии из его электронно-колебат. полос на верхние лазерные уровни ионов редкоземельных элементов.мм

методические указания по курсовому проектированию

по дисциплине «Оптические и приборы и устройства»

для студентов специальности 071700 «Физика и техника оптической связи»

1. Классификация твердотельных лазеров.

В июле 1960г. Мейманом был создан первый лазер на кристалле рубина, положивший начало новому классу квантовых приборов – генераторов и усилителей оптического диапазона длин волн. За короткий период было предложено более ста твердых активных сред на основе неорганических материалов. Такое быстрое развитие твердотельных лазеров обусловлено принципиальными особенностями этих приборов. Концентрация активных частиц в твердом материале намного превышает концентрацию частиц в газовых средах. Поэтому твердые активные среды характеризуются более высоким коэффициентом усиления, а это позволяет получать большие мощности генерации. В свою очередь, мощность излучения зависит от режима работы лазера.

Лазеры классифицируют по трем основным признакам: по режиму работы, по типу активного вещества и по способу накачки. По режиму работы твердотельные лазеры делятся на генераторы, работающие непрерывно, и работающие в импульсном режиме. Импульсные твердотельные лазеры подразделяются, в свою очередь, на лазеры, работающие в режиме свободной генерации и в режиме модулированной добротности.

В качестве активных веществ для твердотельных лазеров в настоящее время используется множество материалов. По этому признаку твердотельные лазеры подразделяются на четыре группы, содержащие в качестве активного вещества ионы металлов переходных групп с 3d-оболочкой в кристаллах, редкоземельные ионы с 4f-оболочкой в кристаллах и стеклах, ионы актинидов с 5f-оболочкой в кристаллах, редкоземельные органические комплексы (хелаты).

Для создания инверсии населенностей в активном веществе твердотельных лазеров используются различные методы накачки. В настоящее время наиболее широкое для этой цели получили газоразрядные лампы. Однако газоразрядные лампы имеют сравнительно низкую эффективность преобразования электрической энергии в световую. В связи с этим были разработаны новые методы накачки. Поэтому, в зависимости от применяемого метода накачки, твердотельные лазеры классифицируют следующим образом: лазеры с оптической накачкой; лазеры, использующие систему накачки полупроводниковыми диодами; лазеры с накачкой по методу взрывающейся проволоки или пленки; лазеры с химическими методами накачки; лазеры, использующие оптическое излучение сжимающегося плазменного шнура; лазеры с системой накачки, использующие рентгеновские лучи для возбуждения флуоресценции в кристаллических активных веществах и др.

2. Физические процессы и основные характеристики.

Твердые тела – активные вещества твердотельных лазеров – являются сложными макросистемами, состоящими из ядер и электронов. Энергия относительного движения частиц, составляющих атомы твердых тел, может принимать строго определенные значения, названные уровнями энергии. Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома активного вещества. уровень с минимальной энергией является основным, все остальные - возбужденными. Число атомов в 1 см 3 вещества, находящихся на данном энергетическом уровне, называется населенностью уровня N m . Если атому, находящемуся на основном уровне, сообщить дополнительную энергию, он может совершить скачкообразный переход в квантовой системе с одного уровня энергии на другой, т.е. перейти на один из возбужденных уровней. Напротив, возбужденный атом может спонтанно или индуцировано перейти на нижележащие уровни, излучив при этом квант света. Частота излучаемого или поглощаемого кванта света определяется постулатом Бора

где h=6,62491·10 -27 эрг·с – константа Планка;

, – рассматриваемые уровни энергии.

Спонтанные (самопроизвольные, без какой-либо связи с внешним излучением) процессы излучения происходят повсюду и повсеместно. Это – излучение от нагретых тел, светящихся газов, электрического разряда и т.д. Чтобы практически индуцированное (вынужденное) излучение, следует выполнить три основных условия:

1. Необходимо иметь активное вещество с инверсией населенностей, т.е. чтобы из двух выбранных уровней верхний уровень был заселен больше, чем нижний. Инверсия населенностей двух уровней:

.

Инверсия достигается накачкой, одним из универсальных методов которой является оптическое возбуждение частиц.

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

3. Усиление, даваемое активным веществом, должно быть больше некоторого суммарного порогового значения потерь в резонаторе k пот, определенного для каждого твердого тела. Генерация будет возможна при выполнении условия самовозбуждения:

,

где G max – максимальное усиление активного вещества на единицу длины;

L – длина резонатора, см.

В твердотельных лазерах используются трех- и четырехуровневые системы энергетических уровней. В первой системе (рис.1) излучение оптической накачки переводит квантовые частицы в широкую полосу поглощения, затем атомы быстро переходят на метастабильный уровень 2. Если мощность накачки достаточна, между основным уровнем 1 и уровнем 2 возникает инверсия населенностей. генерация происходит с метастабильного уровня 2 на основной (либо на вспомогательный уровень 2 в четырехуровневой системе). В общем случае изменение населенностей уровней обусловлено тремя квантовыми механизмами: спонтанными переходами на нижние уровни; индуцированными излучением и поглощением; безызлучательными переходами, возбуждаемыми тепловыми процессами и взаимодействиями с колебаниями кристаллической решетки. По этой схеме работает лазер на рубине. Недостаток его состоит в том, что для создания инверсии населенностей должно быть переведено из основного на метастабильный уровень более 50% квантовых частиц. Поэтому каждый из возбужденных атомов отдает большую часть (80..85%) энергии накачки на нагрев кристаллической решетки при безызлучательных переходах

Четырехуровневая система, по которой работают многие твердотельные лазеры (на стекле, активированном редкими землями, актинидами и т.д.), более эффективна. Если уровень 4 расположен достаточно далеко от основного 1, то его населенность будет меньше населенности основного уровня, и инверсия населенностей между уровнями 2 и 4 может быть достигнута при относительно низких мощностях накачки.

После создания рубинового лазера было предложено много лазеров на других материалах, однако рубиновый лазер широко используется в настоящее время и будет использоваться в будущем. Это объясняется следующими обстоятельствами: излучение его происходит в видимой части спектра, кристаллу для генерации импульсов частотой не требуется охлаждения, обеспечивается высокая выходная мощность в режиме генерации импульсов с модулированием добротности. Рубиновый лазер приближенно можно охарактеризовать тремя энергетическими уровнями. Рабочий переход между уровнями 2 и 1 соответствует излучению с длиной волны 0,6943 мкм.

Наряду с рубиновыми, широкое распространение получили лазеры на стеклянной основе, имеющие ряд таких достоинств, как практически неограниченные размеры стержней (6…200 см), простота изготовления образцов любой формы, высокая оптическая однородность, простота массового производства. В то же время по сравнению с ионными кристаллами стекла имеют отрицательные свойства. Это – низкая теплопроводность и высокий коэффициент теплового расширения, что затрудняет разработку импульсных лазеров с большой частотой повторения. В настоящее время созданы лазеры на стекле, активированном ионами неодима, иттербия, эрбия, гольмия и др. лучшим является неодимовый лазер. Диаграмма энергетических уровней ионов неодима достаточно сложна, но обычно ее сводят к четырехуровневой. Уровень 1 – основное состояние, 2 – конечный уровень, 3 – метастабильный уровень, 4 – совокупность всех конечных состояний при поглощении излучения накачки, что приводит к возбуждению квантовых частиц с уровня 1 на уровень 4. Рабочий переход (генерация) между уровнями 3 и 2 соответствует длине волны 1,06 мкм.

Наиболее интересным по своим возможностям в настоящее время считают твердотельный лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) с примесью неодима. Это четырехуровневая система. YAG, легированный ионом Nd 3+ ,является уникальным материалом, так как обладает хорошей теплопроводностью, большой твердостью и хорошими оптическими характеристиками. Однако YAG дорог, и не удается выращивать стержни длиной более 12 см. Промышленные образцы лазеров на YAG дают мощность генерации до 250 Вт с плотностью 2·10 5 Вт/ см 2 , КПД, равным 2,1%, и расходимостью около 30 минут. Рабочий переход этого генератора лежит в ближней инфракрасной области на длине волны равной 1,064 мкм. Ширина спектральной линии при температуре T=300K на этой длине волны равна 180 ГГц. Лазер работает в многомодовом и одномодовом режимах, причем в одномодовом режиме мощность генерации снижается втрое. В импульсном режиме частота посылки импульсов достигает 10 8 - 10 9 Гц, с пиковой мощностью 30-300 кВт, и длительностью импульсов 30 пс. Лазеры на YAG генерируют также ряд других волн излучения 0,94; 1,05…1,12; 1,3…1,4 мкм.

Таблица 1. Основные характеристики активных веществ твердотельных лазеров.

3. Спектральный состав излучения.

Спектр излучения идеального квантового генератора представляет собой бесконечно узкую линию, положение которой на оси частот зависит от применяемого в лазере активного вещества. В реальном твердотельном лазере действует ряд механизмов, приводящих к так называемому уширению спектральной линии, когда спектр излучения представляет собой полосу частот. Одной из основных причин уширения спектральной линии является то, что энергетические уровни атома даже в идеальном случае, когда отсутствуют какие-либо внешние воздействия, имеют некоторую конечную ширину. Ширина энергетического уровня регламентируется принципом неопределенности, который утверждает, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения. Если время жизни квантовой частицы на каком-либо возбужденном энергетическом уровне имеет величину τ, то, согласно принципу неопределенности, ширина этого уровня

где - постоянная Планка.

Таким образом, ширина энергетического уровня зависит от времени жизни частицы в данном энергетическом состоянии. Наличие уширения энергетического приводит к определенному распределению интенсивности излучения света по частоте, которое характеризуется формой линии излучения.

Одной из наиболее распространенных характеристик спектральной линии является ее ширина, определяемая как интервал частот 2Δν около центра линии, на краях которого интенсивность излучения уменьшается в два раза по сравнению с центром. Ширина линии, обратно пропорциональная времени жизни частицы в начальном состоянии, называется естественной или лоренцевой шириной:

.

Практически ширина спектральных линий значительно превышает ширину естественных линий. В твердотельных лазерах очень важное значение приобретает уширение спектральных линий, обусловленное взаимодействием между частицами. В простейшем случае это взаимодействие приводит к уменьшению времени жизни частиц в возбужденном состоянии. Форма спектральной линии, описываемая уравнением Лоренца

при этом остается прежней, однако из-за уменьшения времени жизни частиц ширина спектральной линии увеличивается. Такое уширение, при котором форма линии остается неизменной, называют однородным. Неоднородным уширением спектральной линии, особенно существенным для разреженных газов, является так называемое доплеровское уширение. Вследствие того, что все атомы движутся в разных направлениях с различными скоростями υ, в спектре излучения появляется совокупность частот, определяемая доплеровским сдвигом частоты .

В условиях термодинамического равновесия распределение частиц по скоростям подчиняется распределению Максвелла. С учетом этого закона доплеровская полуширина спектральной линии

,

где ν 0 – резонансная частота спектральной линии излучения, Гц;

Дж/К – постоянная Больцмана;

Т – температура, К;

m – масса атома или молекулы.

Однако доплеровское уширение в твердых телах весьма незначительно, поскольку ионы активатора жестко связаны с кристаллической решеткой и могут в первом приближении считаться неподвижными.

В твердых активных средах одной из главных причин уширения спектральной линии является неоднородность кристалла активной среды, которая приводит к тому, что энергетические уровни атомов сдвигаются, причем величина сдвига уровней для атомов различна. Это приводит к тому, что атомы излучают кванты различной энергии, что в значительной степени влияет на уширение спектральной линии твердого активного вещества. Не менее важной причиной уширения являются тепловые колебания решетки. Чем выше температура кристалла, тем сильнее колебания. Вследствие этого ионы оказываются расположенными в переменных полях, модулирующих положение энергетических уровней и тем самым уширяющих спектральную линию. Величина теплового уширения определяется связью иона активатора с кристаллической решеткой.

4. Энергия, мощность и КПД.

Эффективность и техническое совершенство энергетических систем и приборов принято оценивать значениями выходной энергии, мощности и КПД. Если твердотельные лазеры оценивать по КПД, не учитывая их уникальные физические свойства, то они покажутся малоэффективными системами (КПД лучшего рубинового лазера не превышает 1,5%). Для предварительной оценки энергетических характеристик проектируемых твердотельных лазеров можно использовать методику расчета мощности лазеров, работающих в режиме свободной генерации при температуре 300 К с усреднением значения мощности по отдельным пучкам спектра излучения. Энергия импульса индуцированного излучения с длительностью импульса τ и для лазера, имеющего активное вещество объемом , равна

.

Оценку мощности генерации трех- или четырехуровневого лазера Р вых можно получить с помощью зависимости

где - энергия кванта индуцированного излучения генератора, Дж;

Энергия кванта излучения накачки, Дж;

Квантовый выход люминесценции;

Параметр, характеризующий долю света, падающего с отражателя на поверхность кристалла (КПД оптической системы лазера);

Коэффициент использования излучения лампы накачки, падающего на поверхность лазера;

Коэффициент преобразования электрической энергии в световую (КПД лампы накачки);

Число порогов;

Энергия накачки;

Пороговая энергия накачки (энергия накачки, при которой возникает индуцированное излучение);

Коэффициент, учитывающий радиационные шумы;

- коэффициент потерь на зеркалах резонатора;

Длина резонатора;

Коэффициенты отражения зеркал резонатора;

Коэффициент внутренних (диссипативных) потерь в активной среде.

Максимальный коэффициент усиления для перехода 2 1, при условии накопления квантовых частиц на уровне 2 активного вещества:

,

где - спектральный коэффициент Эйнштейна;

Скорость света, м/с;

Концентрация активатора, 1/см 2 ;

Отношение потерь к максимальному усилению.

Потери преобразованной в лазере энергии разделяют на потери, которые можно уменьшить, изменяя конструкцию лазера, и принципиально неустранимые потери, связанные с физической сущностью явления генерации. Поэтому целесообразно рассматривать зависимость КПД лазера от целого ряда факторов.

КПД твердотельного лазера можно представить как отношение энергии Е вых индуцированного излучения одиночного импульса к электрической энергии Е вх, поступающей от сети на вход системы накачки:

,

или, учитывая зависимость КПД от эффективности использования элементов конструкции

,

где - КПД блока питания (электрической схемы накачки);

Энергия, запасаемая в конденсаторах накопителя.

КПД электрической схемы системы накачки, использующей цепи RC, принципиально не может быть больше 0,5, а в реальных блоках питания импульсных ламп КПД достигает всего 0,3…0,4.

Выходная энергия излучения импульсной лампы накачки

.

Тогда коэффициент преобразования подведенной к лампе накачки электрической энергии в лучистую

.

Значение этого коэффициента колеблется в пределах 40…60%.

Коэффициент использования излучения лампы в спектральной области поглощения активной среды определяет долю энергии оптической накачки, поглощаемой активной средой:

,

где - спектральное значение энергии излучения одиночного импульса лампы накачки;

Пределы спектральной области поглощения активной среды;

Спектральное значение коэффициента поглощения активной среды;

Интегральное значение поглощенной энергии.

КПД оптической системы зависит от следующих факторов: характеристик пропускания хладоагента; конфигурации и оптических свойств осветителя; коэффициентом поглощения разрядом собственного излучения; распределения яркости по поверхности разряда; доли энергии лампы, фокусируемой на поверхности активного вещества; поперечно сечения кристалла. Для практических целей можно считать, что энергетическая яркость усреднена по времени и спектру, постоянна по всей длине разрядного промежутка. В лучших осветителях достигает величины 0,5…0,7.

Допустимое значение квантовой эффективности передачи энергии с возбужденного уровня на метастабильный зависит от температуры нагрева активного вещества и составляет 0,7…0,9 в диапазоне температур Т=300…90 К.

5. Графоаналитический метод расчета конструктивных параметров импульсного твердотельного лазера.

Инженеру-проектировщику, работающему над конструкцией лазера, необходимо получить конкретные значения тех или иных его параметров. в настоящее время разработаны специальные диаграммы для определения конструктивных параметров твердотельных лазеров. По этим диаграммам можно довольно быстро выбрать конструктивные параметры лазера (длину резонатора, размеры стержня активного вещества, характеристики отражателя).