3. Устройство и принцип действия твердотельных лазеров.

К этой группе относятся лазеры, активной средой которых являются твердотельные диэлектрики (кристаллические или аморфные), активированные люминесцирующими примесями (обычно ионами переходных металлов). Для целей оптоэлектроники наибольший интерес представляет лазер на кристаллах иттрий алюминиевого граната, в решетке которого часть атомов иттрия (1...3%) замещена ионами неодима Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺ (сокращенно YAG:Nd, ИАГ:Nd или АИГ: Nd ).

Основу такого лазера составляют стержень активного вещества длиной 10см и более с зеркалами на торцах и расположенная параллельно ему дуговая криптоновая лампа - в лазерах используется оптическая накачка. Оба элемента помещаются внутрь светособирающей системы, предназначенной для равномерного распределения оптической энергии на всей длине ИАГ:Nd стержня.

Схема квантовых переходов, рис.6, относится к типичной четырехуровневой системе.

Р

Рис. 6 Схема квантовых переходов.

абочим переходом в ней является переход с уровня Е₃ на уровень Е_2. Последний значительно удален от основного уровня Е₁. Согласно закона Больцмана, все уровни, кроме Е₁, в отсутствие накачки практически не заселены частицами. Под действием света лампы накачки ионы неодима с первого уровня переходят на Е ₃ и Е_4. Затем с Е₄ на Е_3, где, за счет длительного срока жизни, накапливаются до момента начала генерации при переходе с Е₃ на Е_4. Отдав свою энергию когерентному излучению, ионы неодима переходят на уровень Е₁. Заселение уровня Е₃ через уровень Е₄ и прямо с уровня Е₁, за счет накачки, способствует увеличению КПД, снижению порогового уровня накачки, уменьшению нагрева кристалла. Длина волны основного излучающего перехода равна 1,06 мкм.

Иттриево-алюминиевый гранат выгодно отличается от других активных сред твердотельных лазеров (таких, например, как рубин или неодимовое стекло) высокими прочностью и теплопроводностью, температурной и радиационной стабильностью, однородностью оптико-физических характеристик, наибольшим значением коэффициента усиления.

По сравнению с газовыми лазерами твердотельные имеют приблизительно на порядок выше КПД (из-за большей эффективности оптической накачки), существенно большую выходную мощность (единицы ватт и более), но в то же время худшую когерентность (..=10^-4 ....10^-5).

Миниатюризация твердотельных лазеров основывается на двух конструктивных усовершенствованиях:

– во-первых, это замена криптоновой лампы GаА1Аs-светодиодом (или линейкой светодиодов), согласованным с основной полосой поглощения неодима (0,81 мкм). Накачка может осуществляться как сбоку, так и с торца стержня. Габаритные размеры лазера могут быть снижены до 10 мм, однако при этом уменьшается выходная мощность и увеличивается угловая расходимость луча.

– второе изменение касается самого активного стержня - традиционная ИАГ:Nd-среда заменяется на вещества с большей концентрацией ионов неодима. Так, использование тетрафосфата лития-неодима, пентафосфата неодима-лантана, или гексалюмината лантана-неодима магния позволяет увеличить концентрацию неодима в 10...30 раз и тем самым снизить длину стержня до 1 мм, а пороговую мощность накачки - до десятых долей милливатта. Однако многолетние исследования таких структур со «100%-ным возбуждением» не дали пока положительных результатов в части получения необходимого комплекса свойств сверхминиатюрных твердотельных лазеров; в то же время на основе последнего из перечисленных материалов созданы образцы с выходной мощностью в сотни ватт.