Глава 3. Лазеры

3.1. Классификация лазеров

Классификация существующих лазеров проводится по трем признакам:

1. Агрегатное состояние активной среды (газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые).

2. Физический принцип накачки (газоразрядные, газодинамические, с оптической накачкой, с использованием p-n переходов и др).

3. Временной режим накачки (непрерывный, импульсный).

Лазеры могут работать в трех основных режимах:

4. Режим непрерывного генерирования лазерного излучения. Лазеры, работающие в этом режиме, называются непрерывными.

5. Режим импульсного генерирования. Лазеры, работающие в этом режиме, называются импульсными лазерами.

6. Режим импульсно-периодического излучения. Излучение формируется в виде периодических серий импульсных пакетов.

3.2. Твердотельные лазеры

Твердотельный лазер представляет собой лазер, в котором активной средой служит диэлектрические кристаллы или стекла, активированные ионами редкоземельных элементов или ионами группы железа. В твердотельных лазерах на диэлектриках применяется только оптическая накачка.

Твердотельные лазеры надежны, удобны и сравнительно просты в эксплуатации. При небольших габаритах они могут генерировать импульсы очень высокой мощности (вплоть до 10¹² Вт и более), очень короткие импульсы (до 10^-12 с и менее), а также работать в непрерывном режиме с высокой мощностью от единиц мВт до сотен Вт.

Для накачки электрическая энергия с помощью специальных ламп накачки или с помощью nолупроводниковых лазерных диодов преобразуется в оптическое излучение, которое поглощается атомами активного вещества, переводя их в возбужденное состояние. Наличие такого промежуточного процесса преобразование энергии накачки снижает КПД твердотельных лазеров, которое не превышает нескольких процентов при ламповой накачке и достигает 30% при накачке nолупроводниковыми лазерами.

Твердотельные лазеры работают в ближней ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной области спектра. Это связано с оптической прозрачностью активной среды: с коротковолновой стороны спектрального диапазона ограничен процессами поглощения, с длинноволновой стороны- взаимодействует с колебаниями решетки.

Активная среда твердотельного лазера представляет собой диэлектрическую матрицу, в которую введены активные центры (ионы- активаторы) одного или разного вида. В результате взаимодействия активаторов с матрицей изменяется не только структура уровней иона, но и вероятности переходов, а также соотношения между излучательными и бузызлучательными переходами.

Оптимальной совокупностью параметров, отвечающих требованиям к активным веществам твердотельных лазеров, обладают: рубин (), алюмоиттриевый гранат с неодимом (), стекло с неодимом, иттербий-эрбиевое стекло, алюминат иттрия с неодимом () и другие.Все лазеры на этих веществах, за исключением рубина, работают по четырехуровневой схеме.

Наряду с кристаллическими матрицами широко используются активные среды на стеклянной основе. К преимуществом стекол относятся: высокая оптическая однородность, технологичность и возможное использования активных элементов больших размеров, возможное введение активаторов с равномерным распределением по объему.

К недостаткам можно отнести: низкая теплопроводность и высокий температурный коэффициент линейного расширения, ограниченная область оптической прозрачности, которая при введении примесей может еще сужаться (0,33- 2,5 мкм.)

Как правило, почти все твердотельные лазеры имеют оптическую систему накачки. Чаще всего для этих целей используют излучение газоразрядных ламп, но иногда используют светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Применение оптической накачки снижает КПД этих лазеров.