к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Твердотельный лазер

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. излучения или путём аддитивного окрашивания. Энергетич. уровни активаторов или собств, дефектов используются для создания инверсной населённости [1 ] (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 [2] (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 см3 активной среды при кпд ~3%. Ср. мощность 103 Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в Т. л. импульсно-периодич. действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10-35008-20.jpg10-4с.

Т. л. с успехом работают в режиме модуляции добротности резонатора, 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).10-8с. Их пиковая мощность ограничивается при этом оптич. прочностью активных и пассивных элементов резонатора, к-рая обычно составляет величину ~ 5•102 МВт на 1 см2 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 биений (~ 103) 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 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 Аl2О3 с примесью (5008-21.jpg0,05%) ионов Cr3+, замещающих в кристал-лич. решётке ионы Аl. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме, в к-рой уровнем 1 является осн. состояние 4А2, уровнем 2 - полосы 4F2 и 4F1, уровнем 3 - дублет 2Е. В мощных рубиновых лазерах применяют круглые стержни диам. 5008-22.jpg2 см и дл. 20-30 см. Типичный режим работы-импульсный, реализуются также модуляция добротности, синхронизация мод, усиление мощности. Длина волны генерации рубинового лазера 5008-23.jpg0,7 мкм.

Наиб. распространённым активатором материалов для Т. л. являются ионы Nd3+ (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•106 см3, получены импульсы энергией 5008-24.jpg4•104 Дж, длительностью ~10-9с, что соответствует мощности 5008-25.jpg 4.1013Вт. Во второй (l5008-26.jpg0,53 мкм) и третьей (l5008-27.jpg0,35 мкм) гармониках частоты осн. перехода при такой же длительности импульсов энергия составляет 5008-29.jpg2•104 Дж.

Наиб. широко применяемой кристаллич. матрицей с Nd3+ является кристалл иттрий-алюминиевого граната (ИАГ-Nd3+ ), 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-Nd3+-лазеры работают во всех перечисленных выше режимах. Именно на них получены рекордные мощности непрерывной генерации. Длина волны генерации ИАГ-Nd3+-лазера на осн. переходе неодима lг= 1,064 мкм. Типичные размеры АЭ от 35008-30.jpg 50 мм до 105008-31.jpg 120 мм.

Находят также применение кристаллы алюмината иттрия (YAlO3-Nd ) и фторида лития-иттрия (LiYF4- Nd3+ ). Кристаллы алюмината иттрия предпочтительнее кристаллов ИАГ-Nd3+ 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 =- 4,3.10-6К-1 для p-поляризации и b=-2,2 5008-33.jpg 10-6К-1 для s-поляризации; для кристалла ИАГ, напр., b = 7,3•10-6К-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 LiYF4-Nd3+ сдвинута по сравнению с длиной волны генерации ИАГ- Nd3+-лазера в коротковолновую сторону (lг= 1,053 мкм для s-поляризации и lг = 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 (ВеАl2О4). В отличие от кристалла рубина, генерация ионов Сr3+ в александрите осуществляется не только на бесфононной линии перехода 2Е- 4А2, но и на электронно-колебат. переходе 4F2 - 4A2. 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 температуры, что обусловлено ростом с температурой 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 теплопроводность этого кристалла (5009-1.jpg0,23 Вт/см•К).

Плавную перестройку длины волны генерации обеспечивает лазер на кристалле корунда с титаном (Аl2О3 - Ti3+). Характерная область перестройки: 700-1024 нм. Малость времени жизни возбуждённого состояния Ti3+ (5009-2.jpg3 мкс) при комнатной температуре делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера. Накачка Аl2О3 -Ti3+ -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 Сr3+ 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 Сr3+ 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- Cr3+ -Nd3+ в режиме свободной генерации в области накачек 1-3 Дж достигнут кпд 5009-3.jpg6%. На кристалле ИСГГ-Cr3+-Nd3+ при накачке 5009-4.jpg200 Дж абс. кпд достигает 10% в режиме свободной генерации. ИСГГ- Cr3+ -Nd3+ -лазеp в режиме модуляции добротности и частоте повторения импульсов до 50 с-1 обеспечивает абс. кпд 5009-5.jpg6% при энергии за импульс 5009-6.jpg0,4 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- Cr3+ -Nd3+ имеет спектрально-люминесцентные свойства, аналогичные свойствам кристаллов ГСГГ-Сr3+ - Nd3+ и ИСГГ-Cr3+ -Nd3+ . 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 температуре) 5009-7.jpg35009-8.jpg3,5 мкм. При меньших энергетич. зазорах вероятность многофо-нонных безызлучательных переходов оказывается существенно больше вероятности излучения, что обусловливает малые величины квантового выхода люминесценции и времени жизни возбуждённого состояния. Эта длина волны обеспечивается, напр., переходом 4I11/25009-9.jpg4I13/2 ионов эрбия (Еr3+). Генерация излучения ионами Еr3+ при ламповой накачке с кпд, превышающим 5009-10.jpg1%, получена на кристаллах ИАГ-Еr3+ и ИСГГ-Сr3+ -Еr3+ . В первом случае длина волны генерации lг = 2,94 мкм; во втором lг = 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 0,755009-11.jpg1 мкм, что даёт возможность эффективно возбуждать генерацию на ионах Nd3+ , Tm , Но3+ , Еr3+ и Yb3+ [5]. 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 Но3+ (lг5009-12.jpg2,1 мкм), Tm3+ (lг5009-13.jpg2,3 мкм), Еr3+ (lг5009-14.jpg2,9 мкм), а также на разл. переходах ионов Nd3+ . Порог генерации по мощности накачки в нек-рых случаях составляет единицы милливатт. Так, напр., порог генерации на ионах Но3+ в кристалле ИАГ-Тm3+ -Но3+ равен 4 МВт, а порог генерации на осн. переходе ионов Nd3+ 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.

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 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.

Литература по твердотельным лазерам

  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

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution