Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры дают излучение в видимой и близкой ИК-областях спектра, Плотность активных частиц в рабочих веществах твердотельных лазеров составляет 10¹⁸-10²⁰ см^-3, в то время как в газовых лазерах она обычно лежит в пределах 10¹⁵-10¹⁶ см^-3. Степень монохроматичности излучения хуже, расходимость пучка больше, чем в газовых лазерах. В качестве активной среды используют искусственные кристаллы и стекла.

Первым активным элементом твердотельного лазера был кристалл рубина (Аl₂О₃, активированный трехвалентными ионами хрома Cr³⁺), дающий генерацию на длину волны, равную 0,694 мкм. Образцы рубина в виде цилиндра диаметром примерно 9,5 мм и длиной 19,5 мм с плоскими торцами, параллельными друг другу, крепились внутри спиральной импульсной лампы-вспышки, а все устройство помещалось в полированном алюминиевом цилиндре. Затем появился и получил широкое распространение кристалл алюмоиттриевого граната (АИГ), активированный трехвалентными ионами неодима, а также неодимовые стекла (специальные силикатные или фосфатные стекла с добавкой 1-6% окиси неодима), дающие генерацию на длину волны, равную 1,06 мкм.

Вообще в твердотельных и жидкостных веществах генерация создается в активирующих присадках, в то время как большинство остальных свойств определяется основным материалом, т.е. материалом матрицы. Активные элементы обычно имеют форму стержней. На их торцы наносятся отражающие покрытия, и тогда активный элемент становится оптическим резонатором. Часто применяются и внешние зеркала.

Возбуждение активного элемента осуществляют разными путями, но чаше всего оптической накачкой. Светооптическое устройство концентрирует излучение специальной лампы или нескольких ламп па активном элементе. Эффективность системы накачки прежде всего зависит от геометрических размеров лампы накачки и отражателя, их взаимного расположения в лазерном осветителе, от степени соответствия спектра лампы накачки спектру поглощения активного элемента, от КПД лампы и всей светооптической системы и доли излучения, поглощаемого активным элементом.

Большинство твердотельных лазеров работает в импульсном режиме, так как для накачки, при которой возникает генерация, требуется создавать на активном элементе весьма большие облученности (десятки Вт/см²). Их удается получать только в импульсном режиме при помощи специальных импульсных ламп накачки. Кроме того, при необходимых уровнях облученностей в непрерывном режиме в активном элементе выделяется такое количество тепла, которое вызывает его перегрев. Исключение составляют низкопороговые лазеры типа АИГ, которые благодаря небольшому порогу генерации и высокой теплопроводности активного элемента могут работать в импульсно-периодическом и непрерывном режимах.

В целом конструкция твердотельного лазера состоит из зеркала, модовой диафрагмы, имеющей центральное отверстие для прохождения основной моды излучения и экранирования других мод, отражателя, активного элемента в форме цилиндра, лампы накачки.