Твердотельные лазеры

Первая демонстрация работы твердотельного лазера была проведена в 1960 г. Теодором Мейманом на кристалле рубина (Cr³⁺:Al₂O₃) – (см рис. 1.15). Матрицей твердотельных лазеров являются различные кристаллы и стёкла. Они должны иметь хорошие оптические, механические и термальные свойства. Матрицы и вводимые в них активные ионы должны иметь одинаковые размеры и валентность. Лазерные элементы должны быть оптически однородны и иметь хорошую прозрачность. Они должны быть хорошо воспроизводимы в изготовлении, в том числе и больших геометрических размеров.

Рис. 1.15. Теодор Мейман и конструкция его рубинового лазера

Рубиновый лазер. Рубин химически состоит из сапфира (Al₂O₃), в котором в малом процентном весе ионы Al³⁺ заменены ионами Cr³⁺. То есть это кристалл корунда с примесью ионов хрома Al2O3(Cr3+).

Рубиновый лазер, работающий по трёхуровневой системе, в настоящее время используется не очень активно. Его положительными параметрами являются: работа в видимом диапазоне (две линии – 692.9 нм и 694.3 нм), узкая спектральная ширина этих линии (0.53 нм), что очень важно для спектральных исследований и голографии, две широкие спектральные области поглощения (370-430 нм и 520-570 нм), что позволяет эффективно использовать для его накачки различные импульсные лампы. Недостатками рубинового лазера являются: малый КПД, термическая анизотропия, подверженность термическим разрушениям.

Рис.1.16. Упрощённая схема энергетических уровней рубинового лазера

Лазеры на основе ионов редкоземельных элементов. Более сотни активных сред на основе редкоземельных элементов и их комбинаций, внедрённых в различные стёкла и кристаллы продемонстрировали возможность лазерной генерации, перекрывающей спектральный диапазон от видимого до среднего ИК спектра. К таким трёхвалентным ионам редкоземельных элементов относятся: Nd³⁺ - неодим, Er³⁺ - эрбий, Ho³⁺ - гольмий, Tm³⁺ - тулий, Yb³⁺ - иттербий.

Стёкла для лазерных активных элементов имеют следующие преимущества по сравнению с кристаллическими веществами: они могут быть изготовлены значительно больших размеров (существуют стеклянные лазерные элементы диаметром более 1.5 м) и лучшего оптического качества. Поэтому для мощных твердотельных лазерных систем выходные каскады усилителей изготавливаются на стеклянных элементах. Но их термические свойства, как правил, уступают кристаллам.

Лазеры на кристаллах кроме хороших термических качеств, как правило, генерируют и более узкое спектральное излучение, чем стеклянные лазеры, что позволяет более широко их использовать в научных и технических приложениях.

Кристаллы для лазерных активных элементов (наиболее используемые): сапфир (Al₂O₃), иттрий алюминиевый гранат – YAG (Y₃Al₅O₁₂) и др.

Ионы редкоземельных элементов (наиболее используемые):

Nd³⁺ - неодим внедряется в стекло и в большинство кристаллических матриц (YAG т.д.), основными линиями его генерации в матрице YAG являются 1.064 мкм.

Er³⁺ - эрбий хорошо внедряется во многие стёкла и кристаллы и основные линии его генерации лежат в области 1.5 – 1.66 мкм. Особый интерес представляет лазер Er:YAG, генерирующий на длине волны 2.9 мкм.

Ho³⁺ - гольмий также хорошо внедряется во многие стёкла и кристаллы и одна из интересных линии его генерации – 2.08 мкм.

Tm³⁺ - тулий также хорошо внедряется во многие стёкла и кристаллы. Лазер Tm:YAG генерирует на длине волны 2.01 мкм.

Неодимовые лазеры (Nd:Laser). Рассмотрим несколько примеров неодимовых лазеров:

а) ионы неодима внедрены в кристалл YAG (Nd:YAG) – активный элемент имеет высокий коэффициент усиления и хорошие термические качества, что позволило выйти этим лазерам в лидеры для промышленного и военного применения;

б) ионы неодима внедрены в стекло (Nd:glass) – активные элементы могут быть изготовлены больших размеров, что позволяет использовать их для создания мощных лазерных систем.

Nd:YAG. Активный элемент имеет хорошее оптическое качество, высокие термические характеристики и высокий коэффициент усиления. На рисунке 1.17 представлена упрощённая схема энергетических уровней Nd:YAG лазера.

Рис. 1.17. Упрощённая схема энергетических уровней Nd:YAG лазера

Основной лазерный переход (длина волны излучения – 1.064 мкм) осуществляется с уровня R₂, серии ⁴F_3/2 на уровень Y₃ серии ⁴I_11/2.

Nd:стекло. В отличие от кристаллов YAG, в стекло может быть введена большая концентрация Nd и стеклянные активные элементы могут быть изготовлены значительно больших размеров.

Для лазерных активных элементов в основном используется силикатное (SiO₂), фосфатное (P₂O₅) и боратное (B₂O₃) стекло. Длины волн излучения таких лазеров лежат в интервале 1.053…1.062 мкм.

Существует два основных отличия между лазерами на кристалле и стекле: 1 – у стекла значительно хуже термические качества, 2 – спектр излучения у стекла значительно шире. Это приводит к тому, что для лазеров, работающих на высоких частотах повторения импульсов, но с малой энергией в импульсе, используются кристаллические активные элементы, а для мощных лазеров – стеклянные.

Самая мощная лазерная система, выходные каскады которой выполнены из стекла, активированного ионами Nd³⁺ находится в Ливерморской Национальной Лаборатории (Livermore, CA, USA). План специального здания для этой cистемой представлен на рисунке 1.20.

Рис. 1.20. Размещение лазерной установки National Ignition Facility.

Лазерная система предназначена для исследований в области высоких энергий, в том числе для экспериментов по термоядерному синтезу. Установка состоит из 192 лазерных каналов с общей выходной энергией больше одного миллиона джоулей (10⁶ Дж). Принципиальная оптическая схема изображена на рисунке 1.21. Задающий генератор создан на основе эрбиевого волоконного лазера с энергией в импульсе ~ 10^-9 Дж. После усиления в нескольких усилителях энергия на выходе всей системы должна достигнуть значения 4∙10⁶ Дж (к 2009 году).

Рис. 1.21. Принципиальная оптическая схема лазерной установки NIF

Дата добавления: 2014-01-20