3.2.1. Рубиновый лазер

Рубиновый лазер является первым квантовым генератором, работающим в оптическом диапазоне. В рубиновом лазере в качестве активного вещества используют монокристаллическкую окись алюминия Al₂O₃ с решеткой сапфира, в которой часть ионов алюминия Al⁺³ изоморфно замещены ионами Cr⁺³. Концентрация ионов хрома не превышает ~1,6·10¹⁹ ат/см³. При больших концентрациях происходит взаимодействие ионов Cr⁺³ между собой, что приводит к искажению энергетического спектра ионов.

Розовый цвет кристаллов обусловлен широкими полосами поглощения Cr⁺³. Генерация лазерного излучения происходит за счет переходов между уровнями ионов Cr⁺³ (рис. 3.1). Такие ионы называются активными.

Нижний уровень расщеплен энергетическим полем решетки на два двукратно вырожденных подуровня. Излучение накачки поглощается в двух широких полосах, соответствующих переходам активных атомов из основного состоянияв состоянияи, которые происходят из терма свободного иона. Максимумы соответствующих полос поглощения расположены при 0,41 и 0,55 мкм, а ширина каждой из них составляет 100 нм. Эти полосы обозначены какY и U- полосы, сравнительно хорошо вписываются в спектр излучения ксеноновой лампы- накачки. Красный цвет кристаллического рубина как раз определяется наличием широких полос поглощения в синих и зеленых областях спектра.

Рис. 3.1. Диаграмма энергетических уровней иона Cr⁺³ в рубиновом лазере.

Ниже полосы расположены уровни, также происходящие от терма свободного иона, включающие два подуровняE и . Электронные переходы с этих уровней в основное состояние определяют люминесценции рубина. Ее спектр состоит из двух однородно широкихR- линий с полушириной 300 ГГц: - 694,3 нм и-692,9 нм. Генерация, как правило, наблюдается на- линии, т.к. уровеньE заселен больше, чем .

Уровни метастабильны и характеризуются временем жизниτ ≈ 3 мс. Поэтому на них происходит накопление частиц и возможно получение инверсии населенностей.

Рубиновые лазеры, как правило, работают в импульсном режиме. Из-за низкого КПД () они неэкономичны по сравнению с другими лазерами, работающими в непрерывном режиме. При работе в непрерывном режиме мощность излученияP_непр = 0,1…1 Вт.

3.2.2. Лазеры на кристаллах и стеклах,

активированных неодимом

В настоящее время лазер на стекле, активированном ионами неодима , является одним из наиболее распространенных лазеров благодаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных активных лазерных элементов.

Основные недостатки рубинового лазера связаны с трехуровневой схемой его работы, что обусловлено особенностями трехвалентного иона хрома. Более удачными оказались ионы редкоземельных элементов, строение энергетических уровней которых позволяет осуществить работу по четырехуровневой схеме.

Незаполненная 4f- оболочка редкоземельных элементов расположена ближе к ядру, чем 3d- оболочка элементов группы железа, и хорошо экранированная от внешних полей 5s- и 5p- оболочками. Поэтому энергетический спектр ионов, введенных в кристалл, слабо отличается от энергетического спектра свободных ионов. В кристаллических матрицах уровни энергии таких ионов остаются узкими, поэтому спектры их люминесценции и поглощения, состоят из ряда узких, интенсивных линий.

Генерация с участием иона неодима наблюдалось более чем в 100 различных матрицах. Из них оптимальной совокупностью свойств обладают кристаллы(иттрий-алюминиевый гранат, называется такжеYAG) и стекла.

Оптическая накачка приводит ионы из основного состоянияв серию возбужденных состояний, состоящую из большого числа узких, частично перекрывающихся уровней (рис. 3.2). Полосы поглощения расположены на длинных волн 0,73 и 0,8 мкм. Последняя полоса очень удобна для накачки полупроводниковыми лазерами и светодиодами на основе арсенида гелия. С этих уровней энергии осуществляется быстрая безызлучательная релаксация на метастабильный уровеньс временем жизни 230 мкс. Переходы с этого уровня осуществляются на нижние уровни (а именно -,,и). Оказывается, что из различных возможных переходов с уровняна нижележащие уровни наиболее интенсивным является переход→в области 1,06 мкс. Обычно на этом переходе осуществляется генерация.

Уровень , являющийся нижним рабочим лазерным уровнем, расположен примерно на 0,25 эВ выше основного состояния. Уровеньсвязан быстрой (порядка наносекунд) безылучательной релаксаций в основное состояние, так что тепловое равновесие между этими уровнями устанавливается очень быстро. Таким образом, генерация лазера→соответствует четырехуровневой схеме.

Рис. 3.2. Упрощенная диаграмма энергетического уровня вв схеме работы неодимового лазера (Nd:YAG).

Необходимо еще учитывать тот факт, что уровень расщнплен благодаря эффекту Штарка на два подуровня (R₁ и R₂), тогда как уровень расщеплен на шесть подуровней. Лазерная генерация обычно происходит с верхнего подуровняR₂ на определенный подуровень уровня , поскольку этот переход обладает наибольшим сечением перехода вынужденного излучения. Лазеры на неодиновых стеклах также могут излучать на длине волны 1,32 мкм. Эти лазеры способны обеспечить в непрерывном режиме оптическую мощностьP_непр = 10…10⁴ Вт, P_имп = 30…300 кВт (при t_и=30 нс, f = 10⁸…10⁹ Гц).

К недостаткам всех кристаллов, активированных редкими землями, являются отсутствие широких полос поглощения. Для увеличения эффективности накачки наряду с активными ионами добавляют ионы другого вида, называемые сенсибилаторами. Их роль заключается в поглощении энергии возбуждения в ширине спектрального диапазона и передаче ее основным рабочим ионам. Это приводит к расширению полосы накачки и к повышению эффективности лазера. В YAG в качестве сенсибилизатора могут быть использованы ионы .

Nd:YAG лазеры широко применяются в различных областях, среди которых можно вылелить следующее:

1. Обработка материалов (сверление, сварка и пр.).

2. Применения в медицине

3. Применения в лазерной дальнометрии для военных целей.

4. Различные научные применения.