Физическая энциклопедия - твердотельные лазеры

к. в них используются не квант. переходы между энергетич. уровнями «рабочих» ионов, а квант. переходы между разрешёнными энергетич. зонами полупроводников (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). Т. л. находит широкое применение как в фундам. науч. исследованиях, так и в пром-сти и медицине, что обусловлено гл. обр. возможностью достижения большой уд.

Избыток энергии при этом передаётся колебаниям крист. решётки. Время жизни ионов Cr3+ на уровнях ?'2 и ?2 порядка 10-3 с. При освещении кристалла светом, соответствующим синей и зелёной областям спектра (полосы накачки), происходит «накопление» ионов Cr3+ на уровнях ?2 и ?'2, а при достаточной мощности накачки возникает инверсия населённостей относительно уровня ?1.

н. оксидных лазерных кристаллов (напр., рубин Аl2O3-(Cr3+), итриево-алюминиевый гранат, активированный ионами неодима: Y3Al5Ol2(Nd3+), ниобат никеля NiNbO3(Nd3+)) и группы фторидных кристаллов (LiYF4(Nd3+), LiHoF4(Nd3+) и др.). Большинство Т. л. излучает в диапазоне l от 1 до 3 мкм. Для улучшения параметров, в частности повышения кпд, в кристалл наряду с рабочими ионами активаторами добавляют ионы сенсибилизаторы.

Их роль сводится к поглощению энергии и передаче возбуждения рабочим ионам. Для создания малогабаритных Т. л. применяются кристаллы, в которых активные ионы входят в состав крист. решётки (напр., пентафосфат неодима), а не вводятся в качестве примесей. В таких кристаллах потери энергии из-за концентрац. тушения уменьшены за счёт упорядоченного расположения активных ионов и фиксированных расстояний между ними.

Др. типом активных веществ для Т. л. являются смешанные разупорядоченные системы (тв. растворы). При этом примесные атомы входят в состав мн. различных активац. центров. В результате этого спектры поглощения в-ва состоят из широких полос, что увеличивает кпд. К смешанным крист. средам по св-вам примыкают стёкла. Режимы работы. Большинство Т.

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ). При этом вся запасённая в активном элементе энергия возбуждения (или большая её часть) высвечивается в виде короткого светового импульса, длительность к-рого определяется скоростью открывания затвора или, если время открывания затвора достаточно мало, временем установления эл.-магн. поля в резонаторе. С помощью оптич.

затвора обычно получают Dtл =10-7-10-8 с. Полная энергия импульса в режиме модулиров. добротности вследствие потерь на сверхлюминесценцию оказывается меньшей, чем в режиме свободной генерации. Однако выигрыш в мощности: за счёт уменьшения Dtл достигает неск. порядков. Ещё более короткие (пикосекундные) импульсы получают при помощи просветляющих фильтров.

В них применяются слабые р-ры красителей, концентрация к-рых подбирается так, чтобы при достижении определённой интенсивности света достиглось выравнивание населённости соответствующих энергетич. уровней (н а с ы щ е н и е), при к-ром раствор становится прозрачным (см. ПРОСВЕТЛЕНИЯ ЭФФЕКТ). Введение в резонатор просветляющего фильтра предотвращает генерацию при включении накачки, но в активном веществе накапливаются возбуждённые ч-цы, соответственно растёт интенсивность спонтанного излучения.

Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход) меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует развитию генерации. При достижении уровня просветления раствор становится прозрачным, и генерируется серия сверхкоротких импульсов, интервалы между к-рыми определяются временем прохождения света между зеркалами резонатора.

Длительность генерируемых импульсов имеет порядок менее 10-9 с, при энергии в неск. Дж. что соответствует мощности более 1010 Вт. Т. л. на стекле с примесью Nd генерируют последовательность импульсов с длительностями 10-11-10-12 с. Энергия сверхкоротких импульсов невелика. Её можно значительно увеличить при помощи одного или неск. Т. л., работающих в режиме усиления.

При этом ниж. уровнем рабочего перехода явл. не осн. уровень ?1, а промежуточный уровень ?2, энергия к-рого должна превосходить kT с тем, чтобы его равновесная населённость была малой. Время безызлучательной релаксации с этого уровня тоже должно быть малым, иначе лазерный переход ?3В®?2 будет насыщаться при малой мощности генерации (см.

рис. 4, б в ст. (см. ЛАЗЕР)). Т. л. непрерывного действия осуществлены на кристалле Y2Al5O12(Nd3+), CaF2(Dy3+) и др. Мощность генерации Т. л. в непрерывном режиме на кристаллах алюминиево-иттриевом гранате и на стекле с Nd достигает сотен Вт. Возможен также режим генерации импульсов с большой частотой повторения, для Y2Al5Ol2(Nd3+) до неск. кГц. Спектр излучения Т, л.

(если не принимать спец. мер) сравнительно широк, т. к. обычно реализуется многомодовый режим генерации. Введением в оптич. резонатор селектирующих элементов удаётся получать одномодовую генерацию с узким спектром. Новые возможности для создания Т. л. с перестраиваемой частотой в широких пределах связаны с использованием в кач-ве активной среды ионных кристаллов (напр.

, фторидов) со сложными центрами окраски. Это позволило расширить область генерации в ИК область до l = 3,5 мкм. Применения Т. л. чрезвычайно разнообразны. В технологии (сварка, резка и т. д.) используются Т. л. на основе рубина, неодимового стекла и Y2Al5O12(Nd3+) с мощностью генерации от десятков Вт до неск. кВт. В медицине применяются гл. обр.

Т. л. на неодимовом стекле с энергией излучения 1000 Дж в режиме свободной генерации (терапия) и Т. л. на Y2Al5Ol2(Nd3+) в непрерывном или периодич. режимах (хирургия). Этот же тип Т. л. используется в оптич. локации и связи. Т. л. с Dtл=10-8-10-12 с применяются в высокоскоростной фотографии, а одномодовые Т. л. в голографич. устройствах регистрации быстропротекающих процессов (см.

ГОЛОГРАФИЯ). Сверхмощные Т. л. на стекле с Nd применяются для исследования термоядерной плазмы (см. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). Развитие методов формирования коротких и сверхкоротких импульсов привело к открытию нового класса оптич. явлений, таких, как самофокусировка света, вынужденное рассеяние света, параметрич. преобразование частоты света (см.

НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА). Создание мощных Т.п. требует обеспечения миним. термич. деформаций активных элементов. Разработаны спец. атермальные лазерные стёкла, и используются кристаллы с большими теплопроводностью (напр., иттриево-алюминиевый гранат, александрит), фотохим. и лучевой стойкостью. Наибольшей лучевой стойкостью обладает Т.