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.
Наиболее полно предъявляемым требованиям удовлетворяют так называемые активные диэлектрики, представляющие собой твердые растворы элементов с недостроенными внутренними электронными оболочками в различных кристаллических и аморфных матрицах. Обычно используют ионы одной из групп переходных элементов: элементы группы железа с недостроенной 3d-оболочкой или редкоземельные элементы с недостроенной 4f-оболочкой (лантаноиды). Актиноиды с недостроенной 5f-оболочкой применяются редко вследствие их радиоактивности.
Недостроенные внутренние электронные оболочки этих элементов хорошо экранированы валентными электронами от внешних воздействий, в том числе и от воздействия кристаллического поля. Поэтому при введении таких ионов в конденсированную среду не происходит коренной перестройки их энергетического спектра. Эти ионы, называемые активаторами, и являются собственно активными, в то время как кристаллическая или аморфная основа в большинстве случаев выполняет роль матрицы. Все рабочие лазерные переходы осуществляются между уровнями энергии активных ионов.
Активный парамагнитный ион в диэлектрике находится под воздействием сильного электростатического поля окружающих его ионов. В зависимости от степени экранировки внутренних оболочек внешними электронами это поле, называемое внутрикристаллическим полем, по-разному влияет на свойства иона-активатора. При этом различают три случая.
- Слабое кристаллическое поле. Этот случай характерен для редкоземельных элементов с незастроенной 4f-оболочкой» которая хорошо защищена от воздействия внешних полей 5s- и 5р-электронами. Энергетический спектр редкоземельных ионов, введенных в кристалл, слабо отличается от энергетического спектра свободных ионов. LS-связь не нарушается и вектор J сохраняется. Внутрикристаллическое поле приводит к расщеплению энергетических уровней на 2J+1 подуровня с разными проекциями полного момента количества движения МJ. В кристаллических матрицах уровни энергии таких ионов остаются узкими, поэтому спектры их люминесценции и поглощения состоят из рада узких, интенсивных линий. Поскольку кристаллическое поле слабо влияет на энергетический спектр редкоземельных ионов, то структуры их энергетических уровней в различных матрицах эквивалентам. На всех редкоземельных элементах-лантаноидах получена гене рация. Наилучшие результаты получены при использовании иона неодима — Nd3+. В большинстве случаев лазеры на диэлектриках, активированных редкоземельными элементами, работают по четырехуровневой схеме.
- Среднее кристаллическое поле. Этот случай соответствует ионному типу связи и характерен для элементов группы железа с недостроенной Зd-оболочкой. Возмущающее действие поля кристаллической решетки здесь больше спин-орбитального взаимодействия электронов и LS-связь разорвана. Поэтому уровни энергии ионов, введенных в кристалл, существенно сдвинуты по сравнению со свободными ионами. Уровни энергии могут быть значительно уширены. По этой причине элементы группы железа используются как эффективные сенсибилизаторы. Наличие широких полос люминесценции открывает также возможность создания твердотельных лазеров с плавно перестраиваемой длиной волны генерации. Положение энергетических уровней, их ширина, вероятности излучательных и безызлучательных переходов для одного и того же иона в значительной мере определяются матрицей, в которую помещен такой ион. Типичным примером здесь является ион Сr3+ в решетке Аl2О3.
- Сильное кристаллическое поле. Этот случай наблюдается у парамагнитных центров, сильно связанных с окружающими ионами. Он характерен для элементов с незастроенными 4d и 5d-оболочками и изредка наблюдается для элементов группы железа. Сильное поле разрывает LS-связь. Возмущение поля кристаллической решетки в этом случае имеет порядок энергии взаимодействия электронов друг с другом.
Таким образом, активная среда твердотельных лазеров представляет собой диэлектрическую матрицу, в которую введены активные центры (ионы-активаторы) одного или разного вида. В результате взаимодействия активных ионов с матрицей изменяется не только структура энергетических уровней иона, но и вероятности переходов, в том числе вероятности безызлучательных переходов, а также соотношения между вероятностями излучательных и безызлучательных переходов. Поэтому нахождение оптимальной матрицы является весьма важной задачей.
Нетрудно сформулировать основные требования, которым должны удовлетворять матрицы лазерных активных диэлектриков. Во-первых, матрица должна обладать высоким оптическим качеством, быть оптически однородной и прозрачной для лазерного излучения и не должна обладать неактивным поглощением в области излучения источника накачки. Во-вторых, матрица должна допускать введение заданного активатора в регулируемых количествах без нарушения ее механических свойств и оптической однородности; чем более благоприятны геометрические параметры замещаемого и замещающего ионов, тем это условие легче выполняется. В-третьих, матрица должна обладать высокой теплопроводностью для того, чтобы энергия, передаваемая решетке в результате безызлучательных переходов Е3—Е2 и Е1—Е0, и энергия накачки, переходящая в тепло, могли быстро рассеиваться, не приводя к заметным термооптическим искажениям и термическим деформациям. В-четвертых, матрица должна обладать высокой лучевой стойкостью по отношению к генерируемому лазерному излучению, а также быть фотохимически стойкой к мощному излучению накачки. Наконец, в-пятых, матрица, обладая хорошими механическими свойствами, должна быть технологичной в изготовлении и оптической обработке, поскольку к параметрам активного элемента (качество обработки поверхности, параллельность торцов, однородность) предъявляются очень высокие требования.
В настоящее время генерация получена на нескольких сотнях переходов между энергетическими уровнями различных ионов более чем на 300 кристаллах и нескольких десятках типов стекол. Но не существует материала, который в полной мере удовлетворял бы всем перечисленным требованиям. С различной степенью полноты этим требованиям удовлетворяют монокристаллы на основе кислородных соединений — окислы и соединения с комплексными анионами, фториды элементов II и III групп, стекла, пластмассы и другие кристаллические и аморфные диэлектрики. Большой интерес представляет использование смешанных систем типа твердых растворов.
Оптимальной совокупностью параметров обладают: рубин (Аl2О3 : Сr3+), алюмоиттриевый гранат с неодимом (Y3A15O12 : Nd3+), стекло с неодимом, иттербий-эрбиевое стекло, алюминат иттрия с неодимом (YA1O3 : Nd3+), натрий-лантан-молибдат с неодимом (NaLaMoO4 : Nd3+), флюорит кальция с диспрозием (CaF2 : Dy2+) и гадолиний-скандий-галлиевый гранат с хромом и неодимом [(Gd3_xNdx)(Sc2-yCry)Ga3O12]. Все лазеры на этих веществах, за исключением рубина, работают по четырехуровневой схеме.
Первой лампой накачки была импульсная спиральная лампа-вспышка с ксеноновым наполнением, аналогичная применяемым в фотографии. Активный элемент в виде рубинового стержня помещался на оси этой лампы, через которую производился разряд мощного конденсатора. Зеркала резонатора в виде серебряных покрытий наносились непосредственно на тщательно отполированные торцы рубинового стержня, как показано на рисунке ниже. Современные твердотельные лазеры конструктивно выполняются в виде двух блоков: лазерного излучателя, называемого также лазерной головкой, и блока питания. При накачке импульсными лампами блок питания включает в себя накопитель энергии обычно в виде батареи высоковольтных конденсаторов.
Схемы лазерных излучателей: простейшего рубинового лазера со спиральной лампой накачки (а) и лазера с модулируемой добротностью (б) 1 — активный элемент; 2 — лампы накачки; 3 — отражатель; 4 — зеркала резонатора; 5 — фильтр и система охлаждения; 6 — модулятор добротности; 7 — поляризатор