Твердотельные квантовые генераторы в зависимости от используемого активного вещества разделяются на кристаллические и стеклянные (аморфные).
Наиболее изучены следующие активные вещества: синтетический рубин, фтористый кальций, активированный трехвалентным ураном, и стекло с примесью неодимия. Лазеры, в которых в качестве активного вещества используются твердые тела, позволяют получить большие мощности излучения. Излучение таких лазеров лежит в широком диапазоне длин волн (6943—27 000 Å) и может быть как импульсным, так и непрерывным.
Кристаллические лазеры
К группе кристаллических лазеров относится хорошо изученный лазер на синтетическом рубине. В рубиновом лазере в качестве активного вещества использован монокристалл рубина, представляющий собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Так называемый розовый рубин содержит 0,05—0,07% окиси хрома, а красный — 0,5—0,7%.
При освещении кристалла рубина светом ионы хрома возбуждаются и переходят на высший уровень, поглощая ультрафиолетовое излучение и широкую полосу зеленого и синего цвета. Высший уровень — это совокупность нескольких неустойчивых энергетических уровней (на рис. 1 показан только один). В основное состояние ионы хрома могут возвращаться либо непосредственно, либо через промежуточные, метастабильные уровни. При этом вероятность перехода возбужденных ионов хрома на промежуточные уровни больше, чем вероятность перехода на основной уровень.
Рис.1 Диаграмма энергетических уровней ионов хрома в рубине
Ионы на промежуточные уровни переходят без излучения энергии, передавая часть своей энергии кристаллической решетке рубина. При отсутствии внешних причин, вызывающих вынужденное излучение, атомы хрома пребывают на промежуточных уровнях около 0,003—0,05 сек, что значительно больше времени нахождения ионов на верхнем энергетическом уровне. По- этому промежуточные уровни будут более заселенными, чем основной.
Если энергия возбуждения недостаточна, ионы хрома с промежуточных уровней спонтанно возвращаются на основной. Излучение в этом случае некогерентно и происходит на длинах волн 6943 и 6929 Å. При выполнении условий генерации лазер излучает поток фотонов длиной волны 6943 Å, причем интенсивность данного индуцированного излучения на несколько порядков выше спонтанного.
В лазере на рубине резонансной системой служит сам рубиновый стержень, торцы которого отполированы и представляют собой зеркала, причем один торец покрыт плотным непрозрачным слоем серебра, а другой полупрозрачный (также посеребренный) имеет коэффициент пропускания около 10%. Благодаря резонансной системе происходит усиление колебаний, распространяющихся параллельно продольной оси рубинового стержня. В результате многократного отражения от передней и задней зеркальных граней рубинового стержня фотоны через полупрозрачную грань выходят наружу в виде лавинного потока.
Колебания с длиной волны 6929 Å, а также все колебания, имеющие иное направление распространения, ввиду малого времени взаимодействия их с активным веществом подавляются, так как условия самовозбуждения на этих частотах не выполняются — усиление колебаний активной средой не компенсирует потери.
Стеклянные лазеры
В оптических квантовых генераторах наряду с кристаллическими широко используются стеклянные активные среды с примесью различных редкоземельных элементов. Преимущество таких лазеров в том, что стеклянные активные среды можно изготовить больших размеров и любой формы. Такие генераторы имеют более низкий порог самовозбуждения, чем генераторы на рубиновых лазерах. Стеклянные лазеры позволяют получить очень мощные выходные импульсы и обладают высокой оптической однородностью.
В настоящее время широко применяется лазер, в котором в качестве активного материала используется бариевый кронгласс (59% SiO2, 25% ВаО, 15% К2O, 1% Sb2O3) с примесью трехвалентного неодимия. Структура энергетических уровней трехвалентных ионов неодимия в стекле примерно та же, что и в кристаллах, однако отсутствие кристаллической структуры приводит к уширению линий поглощения и излучения.
Ширина спектра индуцированного излучения на волне 1,06 мкм (микрон) составляет около 100 Å. Стеклянные лазеры могут быть изготовлены в виде волокон малого диаметра (порядка длины волны). В такой системе будут отсутствовать высшие типы волн, и ее можно использовать как усилитель бегущей волны.