9.10 Лазеры на твёрдом теле. Твердотельными называют лазеры, в которых активной средой являются кристаллические и аморфные диэлектрики (стёкла), легированные ионами хрома или редкоземельных элементов. Концентрация активных частиц в твёрдом материале намного превышает концентрацию частиц в газовых средах. Поэтому можно получить большую населённость уровней, а, следовательно, и большую мощность излучения на единицу объёма, чем в газовых лазерах, или ту же мощность при малой длине активной среды. Однако длина активных элементов твердотельных лазеров ограничивается имеющимися оптическими неоднородностями вещества, приводящими к рассеиванию излучения и понижению добротности резонаторов. Обычно длина активных элементов несколько десятков элементов. В первом твердотельном лазере (1960 год) использовался рубин. Рубин – это корунд Al2O3, в кристаллической решётке которого часть ионов алюминия замещена ионами Cr с зарядом 3+. в зависимости от процентного содержания примеси корунд окрашивается от розового до тёмно-красного. В твёрдых телах сильное взаимодействие частиц приводит к существенному увеличению ширины энергетических уровней. Инверсия населённостей создаётся по трёхуровневой схеме. Рис. 9.9 Производится оптическая накачка путём облучения мощной ксеноновой лампой. Ионы хрома поглощают излучение и переходят из основного состояния 1 на два широких уровня 3. Подуровни 2 являются метастабильными (время жизни около 3·10 с). Время жизни уровней 3 определяется безызлучательными релаксационными переходами на подуровни 2. Это много больше времени жизни, связанного со спонтанными излучательными переходами. Вследствие безызлучательных переходов происходит быстрое уменьшение населенности подуровней 3 и заселение метастабильных подуровней 2. Поэтому населенность подуровней 2 может стать больше населенности основного уровня 1. Так как разрешены переходы в основное состояние с верхнего и с нижнего подуровней 2 , то возможна генерация в красной области спектра с длинами волн l = 0 , 6 9 3 и 0 , 6 9 2 9 мкм. Рубиновые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Система оптической накачки содержит лампу и элементы, обеспечивающие концентрацию светового потока на активный стержень. Импульсный режим работы ламп обеспечивается разрядом конденсаторов, предварительно заряжаемых от источника напряжением до нескольких киловольт. Для работы в непрерывном режиме используются специальные дуговые капиллярные лампы и лампы накаливания. При использовании в качестве активных частиц ионов редкоземельных элементов (неодима, диспрзия, самария, эрбия, гольмия и празеодима) инверсия населенностей создаётся по четырёхуровневой схеме. Здесь нижний уровень лазерного перехода находится на достаточно большом расстоянии от основного уровня. В этом случае населенность нижнего уровня оказывается небольшой даже при комнатной температуре. Наиболее распространенным лазером такого типа является лазер на стекле, активированном неодимом. Длина излучения такого лазера l = 1 , 0 6 мкм. Рассмотрим ещё один лазер, перспективный для использования в оптических системах связи. Это лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) Y3Al5O12. Инверсия населённостей создаётся по четырёхуровневой системе. Иттрий-алюминиевый гранат с примесью неодима является уникальным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью, большой твёрдостью и удовлетворительными оптическими свойствами. Стержень Nd: YAG 1 c длинной 5 мм и толщиной 0, 5 мм накачивается с торца GaAlAs- светодиодом 2(3- пластина для теплоотвода). Для лазера используются кристаллы неодим-пентафосфат NdP5O14. Накачка осуществляется светодиодом при l = 1 , 0 5 мкм. Лазер имеет низкий порог накачки – примерно 1 мВт. Малые размеры лазера позволяют его называть микролазером. Рис. 9.10 назад | оглавление | вперёд