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

В твердотельных лазерах генерaция излучения осуществляетcя в твердом активном элементе, в качестве которого используют стержни из кристаллa искусственного рубина, стекла с присадкой редкоземельного элемента неодима, алюмоиттриевого граната с добавкой неодима (АИГ: Nd).

Принципиальная схема твердотельного лазера представлена на рис. 1. Твердый активный элемент 2 размещают в резонаторе между двумя зеркалами 1 и З. Зеркало 1 полностью отражает все падающее на него излучение, а зеркало 3 является полупрозрачным. Оптическая накачка активной среды осуществляется энергией газоразрядной лампы-вспышки 4 с источником питания 6. Для получения более эффективного облучения лампу 4 вместе с активным элементом 2 помещают в кожух 5, на внутреннюю поверхность которого нанесено отражающее покрытие типа серебра, золота и др. Кожух 5 имеет эллиптическую форму, а лампа и кристалл размещаются в фокусах эллипса.

Другие страницы по теме

Твердотельный лазер

Этим достигаются условия равномерного и интенсивного освещения кристалла. Твердотельный лазер с активными элементами в виде рубинового стержня обычно работает в импульсно-периодическом режиме излучения с длительностью импульсов 10 -3 ...10 -9 С на длине волны 0,69 мкм. Энергия излучения в импульсе 10 -2 ...10 3 Дж при максимальной частоте повторения импульсов 210 Гц.

Рис. 1. Твердотельный лазер : принципиальная схема .

Твердотельные лазеры с использованием неодима генерируют излучение по схеме, несколько отличной от схемы аналогичного процесса в лазере с рубином. Генерация излучения в них создается по четырехуровневой системе, которая более приемлема для эффективного получения лазерного излучения.

Конструктивно с неодимом незначительно отличаются от рубиновых лазеров. При использовании рабочих тел больших размеров однородное возбуждение достигается применением нескольких ламп накачки, устанавливаемых вокруг рабочего тела.

Твердотельные лазеры на стекле с неодимом и на гранате с неодимом генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм и характеризуются высокой мощностью излучения в импульсе при импульсно-периодическом режиме генерации. Частотный режим твердотельных неодимовых лазеров изменяется в широких пределах: 0,05 Гц. .. 50 кГц. При низких частотах (0,1 .. .1 Гц) эти лазеры способны генерировать энергию в десятки джоулей в импульсе при длительности импульса порядка 100 мкс.

Отличительной особенностью твердотельных лазеров на АИГ: Nd является возможность генерации излучения нe толькo в импульсно-периодическом, нo и в непрерывном режиме. Мощность непрерывной генерации современных лазеров на АИГ: Nd достигает 0,5... 2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов 1.. .3 %.

Последние годы характеризуются высокими темпами выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области твердотельных лазеров, уровень мощности излучения которых уже достиг 6. ..9 кВт.

В настоящее время в США, Западной Европе, Японии на рынке технологических лазеров по темпам роста объемов продаж мощные твердотельные технологические лазеры стоят на первом месте.

Весьма перспективны разработки новых систем возбуждения активных элементов, когда вместо ламп используются диоды. Это так называемые твердотельные лазеры с диодной накачкой.

Конструкция такого лазера становится более компактной и надежной в эксплуатации, обеспечивает высокий ресурс работы и значительное повышение электрооптического КПД до 10% и выше. В настоящее время освоен промышленный выпуск твердотельных лазеров с диодной накачкой в широком диапазоне мощностей: от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Твердотельные (АИГ: Nd)-технологические лазеры имеют более короткую длину волны излучения (1,06 мкм) в отличие от СО2 -лазера (10,6 мкм). Это дает возможность применять для фокусировки линзы из простого оптического стекла, в то время как для СО 2 -лазера требуются линзы из таких дефицитных материалов, как арсенид галлия, германий, селенид цинка и др.

За счет более короткой длины волны излучения (АИГ: Nd)-лазера появляется исклю

чительно важная возможность передачи энергии лазерного излучения по гибким оптоволоконным системам на значительные расстояния (до 100м) с малыми потерями. Использование гибких волоконных кабелей позволяет одним лазером и более одновременно оснастить до шести рабочих мест. При этом на каждом из рабочих мест можно проводить самостоятельный , например сварку, резку и др. В случае установки фокусирующей головки на многопозиционном роботе эффективно осуществляются сварка, резка и другая обработка на изделиях сложного профиля и в труднодоступных местах без использования специально перемещаюшейся оснастки.

Следует также отметить, что эффективный КПД обработки материалов твердотельным лазером заметно превосходит значения КПД при сварке и в особенности при поверхностной обработке излучением СО 2 -глазера.

Значительную перспективу представляет новое поколение твердотельных лазеров - так называемые диодные лазеры, обеспечивающие весьма высокие значения электрооптического КПД порядка 30 .. .60 %, малые габаритные размеры, небольшую длину волны излучения (порядка 0,8...0,9 мкм) с возможностью транспортировки излучения по гибким световодам, высокие эксплуатационные показатели. Следует ожидать в ближайшие годы широкого распространения диодных лазеров в технологических процессах лазерной сварки, и в других видах лазерной обработки материалов.

Основные технические характеристики твердотельных лазеров представлены в табл. 1. В последние годы обращается все большее внимание на развитие твердотельных лазеров, в особенности лазеров с диодной накачкой.

Таблица 1. Технические характеристики твердотельных лазеров .

Примечание. У лазеров всех типов λ = 1,06мкм. Условные обозначения; А имп - энергия в импульсном режиме; d п - диаметр пучка; α - расходимость; Р ср изл - средняя мощность излучения; λ - длина волны излучения; γ имп - частота повторения импульсов излучения.

Ла́зер - квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов:

Источник энергии (механизм «накачки» лазера).
Рабочее тело лазера.
Система зеркал («оптический резонатор»).
Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Твердотельные лазеры

Твердотельный лазер работает на искусственно выращенных кристаллах рубина, алюмо-иттриевого граната и на стекле с примесью редкого элемента неодима. Стеклянный или кристаллический стержень вместе с импульсной лампой накачки окружен отражателем и помещен внутрь резонатора - между парой зеркал. Энергия световой вспышки превращается в лазерный импульс. Первый лазер на кристалле рубина длиной 1 сантиметр был построен в 1960 году Т. Мэйманом (США).

Твердотельные лазеры имеют большую расходимость луча и менее универсальны, чем газовые, но в импульсном режиме хорошо гравируют и режут металлы.

Плохо обрабатывают неметаллические материалы, так как некоторые виды таких материалов являются либо полностью, либо частично прозрачными для лазерного излучения. Излучение более чувствительно к неровной поверхности материала, поэтому часто станки на основе твердотельного лазера комплектуются небольшими столами.

Твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Длина волны излучения твердотельного лазера - 1 мкм. Режим генерации, соответственно, может быть непрерывным или импульсным, и еще есть режим так называемого гигантского импульса Q-switch.

Твердотельные лазеры неметаллические материалы режут значительно хуже газовых, однако имеют преимущество при резке металлов - по той причине, что волна длиной 1 мкм отражается хуже, чем волна длиной 10 мкм. Медь и алюминий для волны длиной 10 мкм - почти идеально отражающая среда. Но, с другой стороны, сделать CО2-лазер проще и дешевле, чем твердотельный.

Лазер- это устройство для усиления света за счет вынужденного излучения, содержащиеся в УФ, ИК и видимой областях электро-магнитного излучения. Лазеры, которое генерируют электро-магнитные волны в см диопазоне- мазеры.

Типы:

- Классификация по типу использования среды: твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные

- Более точная классификация учитывает также и методы накачки: оптические, тепловые, химические, электроионизационные

- По типу работы: непрерывные и импульсивные

Устройство:

Активная среда (в кот создаются состояния с инверсией населенности)

Система накачки (устройство для создания инверсии в активной среде)

Оптический резонатор (устройство кот формирует выходящий пучек фотонов)

Принцип работы твердотельного лазера

Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия А12О3 , в кристаллической решетке которого некоторые из атомов А1 замещены трехвалентными ионами Сг (0,03 и 0,05 % ионов хрома соответственно для розового и красного рубина).. При облучении ионного кристалла атомы хрома переходят в возб.состояние при этом возможен либо обратный спонтанный переход, кот если происходит, то мгновенно, либо переход на 2-ой энерг. уровень,такой переход наиболее вероятен.При этом избыток энергии передается атомом Rbв таком состоянии возбужденный атом хрома может находится существенно дальше (t= 10-3с) . На спонтанный переход t=10-8. А спонтанный переход одного из атомов спровоцирует вынужденный переход соседних атомов в основное состояние. Такое вынужденное излучение будет распространятся и наростать по всему объему кристалла.

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. 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 (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 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 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 , 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. активных и пассивных элементов , 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 (~ 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 , 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 .

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 (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.

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.

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 (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+ -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- 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 вероятности излучения, что обусловливает малые величины квантового выхода и времени жизни возбуждённого состояния. Эта длина волны 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, активная среда Т. л. является эфф. концентратором излучения ПЛ по спектру, во времени и в пространстве. Ожидается бурное развитие этой области лазеростроения.

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.

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.

Твердотельный лазер

Твердотельные лазеры

Читайте также