Твердотельные и жидкостные лазеры

Особенности активных сред

В твердотельных лазерах активным веществом является кристаллический или аморфный диэлектрик, в котором генерирующими центрами являются специально введенные активные атомы. По принципу действия к лазерам на твердом теле очень близки жидкостные лазеры, в которых активным веществом служат жидкие диэлектрики с растворенными в них примесями.

Структура энергетических уровней примесных атомов в ряде растворов оказывается весьма близкой к той, которая наблюдается в твердых диэлектриках. В силу сказанного, процессы в твердотельных и жидкостных лазерах имеют много общего и, следовательно, оба типа лазеров целесообразно рассматривать вместе. Концентрация активных атомов обычно составляет единицы или доли процента от полного числа атомов в среде, т. е. активное вещество в рассматриваемых типах лазеров представляет собой раствор или аналогичную среду слабой концентрации, подобную идеальному газу. Однако по сравнению с газовыми лазерами концентрация активных частиц в твердотельных и жидкостных лазерах все же намного больше, что позволяет в конденсированных средах достигнуть большей плотности инверсии населенностей и большего удельного энергосъема. Существенным недостатком таких лазеров, из-за особенностей активного вещества, является ограничение способов накачки практически единственным, а именно облучением вещества светом (оптическая накачка).

Отдельные атомы в твердых (и жидких) телах находятся в поле, создаваемом всеми остальными, близко расположенными частицами вещества, что приводит к существенному отличию энергетической структуры этих атомов (ионов) в конденсированной среде от соответствующих уровней энергии изолированных частиц.

Это вызывает расщепление отдельных дискретных уровней и превращение их в энергетические зоны или полосы. Особенно это характерно для уровней энергии, соответствующих внешним электронам в атоме. На рис. 20.1 показаны уровни энергии в изолированном атоме (рис. 20.1, а) и соответствующие им энергетические зоны в твердом теле (рис. 20.1, б).

При такой энергетической структуре спектр поглощения света активным веществом должен состоять из отдельных полос и линий, ширина которых зависит от ширины соответствующих энергетических уровней (зон). Основная причина различия спектров изолированных атомов и твердого или жидкого тела связана с электрическим взаимодействием отдельных атомов с внутренним полем вещества.

Перечислим основные требования, предъявляемые, исходя из энергетических соображений, к активным средам твердотельных лазеров.

• 1. Активное вещество должно обладать метастабильными уровнями энергии, на которых из-за большого времени их жизни можно создать значительную населенность, т. е. получить достаточное число активных атомов. Наличие метастабильных уровней с высоким квантовым выходом проявляется в существовании интенсивных линий люминесценции, достаточно узких, что является необходимым условием для увеличения коэффициента усиления в среде с инверсной населенностью.
• 2. Активное вещество должно обладать широкими полосами поглощения. При широких полосах поглощения эффективно используется энергия излучения немонохроматического источника накачки. В этом случае большинство атомов, поглотивших фотоны накачки, переходит затем в метастабильное состояние, что увеличивает КПД лазера, при этом необходимо, чтобы частота возбуждающего излучения не очень сильно превышала частоту лазерного излучения.

Рис. 20.1.

3. Активное вещество должно обладать по возможности малыми оптическими потерями за счет рассеяния на неоднородностях на частоте генерации. Эти потери уменьшают добротность резонатора и, следовательно, КПД лазера.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют активные диэлектрики, представляющие собой твердые растворы элементов с недостроенными внутренними электронными оболочками (парамагнитные ионы) в различных кристаллических и аморфных матрицах. Из-за хорошей экранировки недостроенных внутренних электронных оболочек переходных элементов периодической системы от внешнего поля валентными электронами при введении таких элементов в конденсированную среду не происходит при взаимодействии с решеткой коренной перестройки их энергетического спектра. Однако активный парамагнитный ион в диэлектрике (матрице) находится под воздействием электростатического ноля окружающих его частиц среды, в результате чего изменяются энергетическая структура иона, а также вероятности излучательных и безизлучательных переходов. Лазерные рабочие переходы осуществляются между уровнями энергии активных ионов. Поэтому нахождение оптимальной матрицы является важной задачей.

Сформулируем основные требования, которым должны удовлетворять матрицы лазерных диэлектриков. Матрица должна обладать:

• — хорошими оптическими свойствами — оптической однородностью, прозрачностью для лазерного излучения;
• — хорошим согласованием с активатором (активным веществом), чтобы можно было вводить заданный активатор в регулируемых количествах без нарушения ее механических и оптических свойств;
• — хорошей теплопроводностью, чтобы исключить термические деформации и термооптические искажения;
• — высокой стойкостью по отношению к лазерному излучению и мощному излучению накачки.

В настоящее время не создано материала, удовлетворяющего в полной мере перечисленным требованиям. Наилучшими свойствами обладают: рубин (А1₂0₃: Сг³'), алюмоиттриевый гранат, активированный ионами неодима (У₃А1₅0₁₂ • М1³⁺, или УАИ: Мб³⁺),.

стекло с неодимом, иттербий — эрбиевое стекло, алюминат иттрия с неодимом (УА1₂0₃: Ыс1³⁺) и ряд других соединений.

При ламповой оптической накачке наибольший КПД получен в лазере на стекле с примесью неодима (8%).