Твердотельные лазеры

Активным веществом твердотельных и жидкостных лазеров является диэлектрик, находящийся в конденсированной фазе. По сравнению с газами в конденсированных средах можно создать большие плотности (концентрации) активных частиц в единице объема и тем самым достичь большей плотности инверсии и большего удельного энергосъема. В то же время разнообразие процессов, с помощью которых можно изменить энергетическое состояние атомов в таких системах без их разрушения, весьма ограничено. Практически единственным способом активного воздействия остается облучение светом. Поэтому в твердотельных и жидкостных лазерах на диэлектриках применяется только оптическая накачка. В полупроводниках возможно дополнительное воздействие путем пропускания через них электрического тока.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСОБЕННОСТИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

Рабочий элемент твердотельных лазеров выполнен из кристаллического или аморфного диэлектрика. Такие лазеры надежны, удобны и сравнительно просты в эксплуатации. При небольших габаритах они могут генерировать очень высокие импульсные мощности (вплоть до 10¹² Вт и более), очень короткие световые импульсы (до 10^-12 с и менее), а также работать в непрерывном режиме с выходной мощностью от единиц мВт до сотен Вт. Накачка твердотельных лазеров осуществляется оптическим путем. Для этого электрическая энергия с помощью специальных ламп накачки или с помощью полупроводниковых лазерных диодов преобразуется в оптическое излучение, которое поглощается атомами активного вещества, переводя их в возбужденное состояние. Наличие такого промежуточного процесса преобразования электрической энергии накачки снижает общий КПД твердотельных лазеров, который не превышает нескольких процентов при ламповой накачке и достигает 30% при накачке инжекционными лазерами.

Спектральный диапазон работы твердотельных лазеров ограничен оптической прозрачностью активной среды. С коротковолновой стороны он ограничен процессами собственного поглощения, а с длинноволновой — взаимодействием с колебаниями решетки. Поэтому твердотельные лазеры работают в ближней ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Материалы, предназначенные для изготовления активных элементов твердотельного лазера с оптической накачкой, называемые активными диэлектриками, должны обладать определенной системой энергетических уровней, удовлетворяющей тем требованиям, которые вытекают из трех- или четырехуровневой схемы работы лазера. Нетрудно заключить, что эти материалы должны обладать: а) интенсивной флуоресценцией с квантовым выходом на рабочем переходе, близким единице; б) широкими полосами активного поглощения в области излучения источника накачки и в) отсутствием потерь на частоте рабочего перехода. Активный элемент, находясь внутри резонатора и работая в условиях интенсивной световой накачки, должен сохранять высокие оптические качества. Это предъявляет к механическим, оптическим, теплофизическим, химическим и т. п. свойствам активных материалов твердотельного лазера весьма жесткие требования.