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

Т. л. с успехом работают в режиме модуляции , 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 -8 с. Их пиковая мощность ограничивается при этом оптич. активных и пассивных элементов , к-рая обычно составляет величину ~ 5 10 2 МВт на 1 см 2 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 (~ 10 3) 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 , 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 Аl 2 О 3 с примесью (0,05%) ионов Cr 3+ , замещающих в кристал-лич. решётке ионы Аl. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме, в к-рой уровнем 1 является осн. состояние 4 А 2 , уровнем 2 - полосы 4 F 2 и 4 F 1 , уровнем 3 - дублет 2 Е . В мощных рубиновых лазерах применяют круглые стержни диам. 2 см и дл. 20-30 см. Типичный режим работы-импульсный, реализуются также модуляция добротности, синхронизация мод, усиление мощности. Длина волны генерации рубинового лазера 0,7 мкм.

Наиб. распространённым активатором материалов для Т. л. являются ионы Nd 3+ (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 10 6 см 3 , получены импульсы энергией 4 10 4 Дж, длительностью ~10 -9 с, что соответствует мощности 4 . 10 13 Вт. Во второй (l0,53 мкм) и третьей (l0,35 мкм) гармониках частоты осн. перехода при такой же длительности импульсов энергия составляет 2 10 4 Дж.

Наиб. широко применяемой кристаллич. матрицей с Nd 3+ является кристалл иттрий-алюминиевого граната (ИАГ-Nd 3+), 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 (0,13 Вт/см. К); ИАГ-Nd 3+ -лазеры работают во всех перечисленных выше режимах. Именно на них получены рекордные мощности непрерывной генерации. Длина волны генерации ИАГ-Nd 3+ -лазера на осн. переходе неодима l г = 1,064 мкм. Типичные размеры АЭ от 3 50 мм до 10 120 мм.

Находят также применение кристаллы алюмината иттрия (YAlO 3 -Nd) и фторида лития-иттрия (LiYF 4 - Nd 3+). Кристаллы алюмината иттрия предпочтительнее кристаллов ИАГ-Nd 3+ 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 -6 К -1 для p-поляризации и b=-2,2 10 -6 К -1 для s-поляризации; для кристалла ИАГ, напр., b = 7,3 10 -6 К -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 LiYF 4 -Nd 3+ сдвинута по сравнению с длиной волны генерации ИАГ- Nd 3+ -лазера в коротковолновую сторону (l г = 1,053 мкм для s-поляризации и l г = 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 (ВеАl 2 О 4). В отличие от кристалла рубина, генерация ионов Сr 3+ в александрите осуществляется не только на бесфононной линии перехода 2 Е - 4 А 2 , но и на электронно-колебат. переходе 4 F 2 - 4 A 2 . 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 темп-ры, что обусловлено ростом с темп-рой 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 (0,23 Вт/см К).

Плавную перестройку длины волны генерации обеспечивает лазер на кристалле корунда с титаном (Аl 2 О 3 - Ti 3+). Характерная область перестройки: 700-1024 нм. Малость времени жизни возбуждённого состояния Ti 3+ (3 мкс) при комнатной темп-ре делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера. Накачка Аl 2 О 3 -Ti 3+ -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 Сr 3+ 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 Сr 3+ 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- Cr 3+ -Nd 3+ в режиме свободной генерации в области накачек 1-3 Дж достигнут кпд 6%. На кристалле ИСГГ-Cr 3+ -Nd 3+ при накачке 200 Дж абс. кпд достигает 10% в режиме свободной генерации. ИСГГ- Cr 3+ -Nd 3+ -лазеp в режиме модуляции добротности и частоте повторения импульсов до 50 с -1 обеспечивает абс. кпд 6% при энергии за импульс 0,4 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- Cr 3+ -Nd 3+ имеет спектрально-люминесцентные свойства, аналогичные свойствам кристаллов ГСГГ-Сr 3+ - Nd 3+ и ИСГГ-Cr 3+ -Nd 3+ . 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 темп-ре) 33,5 мкм. При меньших энергетич. зазорах вероятность многофо-нонных безызлучательных переходов оказывается существенно больше вероятности излучения, что обусловливает малые величины квантового выхода и времени жизни возбуждённого состояния. Эта длина волны обеспечивается, напр., переходом 4 I 11/2 4 I 13/2 ионов эрбия (Еr 3+). Генерация излучения ионами Еr 3+ при ламповой накачке с кпд, превышающим 1%, получена на кристаллах ИАГ-Еr 3+ и ИСГГ-Сr 3+ -Еr 3+ . В первом случае длина волны генерации l г = 2,94 мкм; во втором l г = 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 0,751 мкм, что даёт возможность эффективно возбуждать генерацию на ионах Nd 3+ , Tm , Но 3+ , Еr 3+ и Yb 3+ . 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 Но 3+ (l г 2,1 мкм), Tm 3+ (l г 2,3 мкм), Еr 3+ ( l г 2,9 мкм), а также на разл. переходах ионов Nd 3+ . Порог генерации по мощности накачки в нек-рых случаях составляет единицы милливатт. Так, напр., порог генерации на ионах Но 3+ в кристалле ИАГ-Тm 3+ -Но 3+ равен 4 МВт, а порог генерации на осн. переходе ионов Nd 3+ 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.

Лит.: 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 .

Данная статья показывает, какие бывают источники монохроматического излучения и какие преимущества имеет лазер твердотельный перед другими видами. Здесь рассказано, каким образом происходит генерация когерентного излучения, почему импульсное устройство мощнее, для чего нужна гравировка. Также здесь рассматриваются три обязательных элемента лазера и принцип его работы.

Зонная теория

Прежде чем говорить о том, как работает лазер (твердотельный, например), следует рассмотреть некоторые физические модели. Из школьных уроков каждый помнит, что электроны расположены вокруг атомного ядра на определенных орбитах, или уровнях энергии. Если в нашем распоряжении не один атом, а много, то есть мы рассматриваем любое объемное тело, то возникает одна сложность.

Согласно в данном теле с одной и той же энергией может быть только один электрон. При этом даже мельчайшая песчинка содержит огромное количество атомов. Природа в данном случае нашла весьма изящный выход - энергия каждого электрона отличается от энергии соседнего на очень маленькую, почти неразличимую величину. При этом все электроны одного уровня «спрессовываются» в одну энергетическую зону. Зона, в которой находятся наиболее далекие от ядра электроны, называется валентной. Следующая за ней зона имеет более высокую энергию. В ней электроны передвигаются свободно, и она называется зоной проводимости.

Испускание и поглощение

Любой лазер (твердотельный, газовый, химический) работает на принципах перехода электрона из одной зоны в другую. Если на тело падает свет, то фотон придает электрону достаточно сил, чтобы он оказался в более высоком энергетическом состоянии. И наоборот: когда электрон переходит из зоны проводимости в валентную, то он испускает один фотон. Если вещество является полупроводником или диэлектриком, зоны валентная и проводимости разделены интервалом, в котором нет ни одного уровня. Соответственно, электроны находиться там не могут. Этот интервал называется запрещенной зоной. Если фотон имеет достаточную энергию, то электроны преодолевают этот интервал скачком.

Генерация

Принцип работы твердотельного лазера строится на том, что в запрещенной зоне вещества создается так называемый инверсный уровень. Время жизни электрона на этом уровне выше, чем время его нахождения в зоне проводимости. Таким образом, в определенный промежуток времени именно на нем «скапливаются» электроны. Это называется инверсной заселенностью. Когда мимо такого уровня, усеянного электронами, проходит фотон нужной длины волны, он вызывает одновременную генерацию большого количества одинаковых по длине и фазе световых волн. То есть электроны лавиной все одновременно переходят в основное состояние, порождая пучок монохроматических фотонов достаточно большой мощности. Стоит отметить, что основной проблемой разработчиков первого лазера был поиск такого сочетания веществ, для которого была бы возможна инверсная заселенность одного из уровней. Первым рабочим веществом стал легированный рубин.

Состав лазера

Лазер твердотельный по основным компонентам не отличается от остальных видов. Рабочее тело, в котором осуществляется инверсная заселенность одного из уровней, освещается каким-либо источником света. Он называется накачкой. Часто это может быть обычная лампа накаливания или газоразрядная трубка. Два параллельно идущих торца рабочего тела (лазер твердотельный подразумевает кристалл, газовый - разреженную среду) образуют систему зеркал, или оптический резонатор. Он собирает в пучок только те фотоны, которые идут параллельно выходному отверстию. Накачка твердотельных лазеров обычно происходит с помощью импульсных ламп.

Виды твердотельных лазеров

В зависимости от способа выхода лазерного пучка различают лазеры непрерывного действия и импульсные. Каждый из них находит применение и имеет свои особенности. Главное отличие - импульсные твердотельные лазеры обладают более высокой мощностью. Так как для каждого выстрела фотоны как бы «копятся», то один импульс способен выдать большую энергию, чем непрерывная генерация за аналогичный период времени. Чем меньше длится импульс, тем мощнее каждый «выстрел». На данный момент технологически возможно построить Один его импульс длится порядка 10 -15 секунды. Связана такая зависимость с тем, что описанные выше процессы обратной заселенности длятся очень и очень мало. Чем дольше требуется ждать перед тем, как лазер «выстрелит», тем больше электронов успеет покинуть инверсный уровень. Соответственно, снижается концентрация фотонов и энергия выходного пучка.

Гравировка лазером

Узоры на поверхности металлических и стеклянных вещей украшают повседневную жизнь человека. Их можно нанести механически, химически или с помощью лазера. Последний способ наиболее современный. Его преимущества перед другими методами следующие. Так как непосредственного воздействия на обрабатываемую поверхность нет, то почти невозможно повредить вещь в процессе нанесения узора или надписи. Лазерный луч выжигает очень неглубокие канавки: поверхность с такой гравировкой остается гладкой, а значит, вещь не повреждается и прослужит дольше. В случае с металлом лазерный луч изменяет саму структуру вещества, и надпись не сотрется много лет. Если вещью пользоваться аккуратно, не погружать её в кислоту и не деформировать, то на несколько поколений узор на ней точно сохранится. Лазер для гравировки лучше всего выбирать твердотельный импульсный по двум причинам: процессами в твердом теле проще управлять, и он оптимален по соотношению мощности и цены.

Установка

Для гравировки существуют специальные установки. Помимо непосредственно лазера, они состоят из механических направляющих, по которым лазер движется, и контролирующего оборудования (компьютера). Лазерный станок применяется во многих отраслях человеческой деятельности. Выше мы говорили об украшении бытовых предметов. Именные столовые приборы, зажигалки, бокалы, часы надолго останутся в семье и будут напоминать о счастливых моментах.

Однако не только бытовые, но и промышленные товары нуждаются в лазерной гравировке. Большие заводы, например автомобильные, выпускают детали огромными тиражами: сотнями тысяч или миллионами. Каждый такой элемент должен быть помечен - когда и кто его создал. Лучшего способа, чем лазерная гравировка, не найти: номера, время выпуска, срок службы надолго останутся даже на движущихся деталях, для которых повышен риск истирания. Лазерный станок в данном случае должен отличаться повышенной мощностью, а также безопасностью. Ведь если гравировка хоть на доли процентов изменит свойство металлической детали, она может иначе реагировать на внешнее воздействие. Например, ломаться в месте нанесения надписи. Однако для бытового применения подходит более простая и дешевая установка.