3609 ИЗУЧЕНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

В настоящее время лазеры на основе конденсированных сред находят  ши- рокое применение как в фундаментальных научных исследованиях, так и в промышленности и медицине. Это обусловлено рядом присущих им свойств и прежде всего возможностью достижения значительной удельной мощности генерации путем создания высокой концентрации активных частиц.

Впервые стимулированное излучение в оптическом диапазоне было  полу- чено Мейманом в 1960 году с помощью конденсированной среды  — кристалла рубина. Вторым типом твердотельных квантовых генераторов был лазер на основе неодимового стекла с длиной волны излучения 1,06 мкм, созданный в 1961 году Снитцером. В настоящее время это один из наиболее распространенных типов лазеров, в развитие физики и техники которых существенный вклад внесли советские ученые.

Лазеры на твердом теле (или, как часто их называют, твердотельные ла-зеры) представляют собой  отдельный класс лазерных систем на основе кон-денсированных сред, активным веществом которых является твердый диэлект-рик — кристалл или стекло, в котором как изоморфные примеси введены ак-тивные центры. Иными словами, активная среда лазеров на твердом теле (в дальнейшем — лазеров на ТТ) — это некая матрица, содержащая активные центры или совокупность центров разного вида как примесь-активатор. Подобные матрицы лазерных активных элементов должны удовлетворять следующим требованиям:

  • матрица должна легко активироваться, т. е. активная примесь должна легко и однородно входить в матрицу в регулируемых количествах, не нарушая при этом ее оптических и механических свойств;
  • матрица должна быть оптически однородной и прозрачной для гене-рируемого излучения и излучения накачки;
  • материал матрицы должен обладать высокой теплопроводностью и вы-сокой термооптической стойкостью;
  • матрица должна быть технологичной в изготовлении и оптической об-работке, быть оптически и фотохимически стойкой по отношению к воздействию интенсивных световых потоков, а также механически и химически стойкой.

К настоящему времени осуществлены лазеры более чем на 250 кристаллах и на многих десятках типов стекол с примесью ионов переходных групп. Самым представительным классом этого ряда является класс оксидных лазерных кри-сталллов с упорядоченной структурой. Если в этих средах основными генери-рующими ионами являются трехвалентные ТR- ионы, то простые фторидные кристаллы такой избирательностью не обладают. Они используют все типы известных активаторных ионов кроме трехвалентного иона хрома.  Излучают ТТ лазеры в диапазоне от 1 до 3 мкм. Для улучшения генерационных парамет-ров кристаллических лазеров в настоящее время используется метод сенсиби-лизации, заключающийся в добавлении в кристалл, наряду с основными гене-рирующими ионами, ионов другого вида — так называемых сенсибилизато-ров. Роль последних сводится к поглощению энергии возбуждения и передаче ее основным ионам.

Для создания малогабаритных ТТ лазеров применяются кристаллы, в кото-рых активные ионы входят в состав кристаллической решетки  (например, пентафосфат неодима), а не вводятся в качестве примесей. В таких кристаллах потери энергии уменьшены за счет упорядоченного расположения активных ионов и фиксированных расстояний между ними.  При этом концентрация ак-тивных ионов может превышать 20 %, в то время как в примесных кристаллах она не превышает 5 % из-за большой вероятности образования близких пар, для которых безызлучательные потери особенно велики.

Другим типом активных веществ для ТТ лазеров являются смешанные разупорядоченные системы (твердые растворы). При этом примесные атомы входят в состав многих различных активационных центров. В результате этого спектры поглощения вещества состоят из широких полос,  что увеличивает КПД. К смешанным кристаллическим средам по свойствам примыкают стекла.

При переходе к конденсированным средам вообще и к  твердому телу (ТТ) в частности прежде всего необходимо отметить, что происходит резкое увели-чение (по сравнению, например, с газовой системой) плотности частиц. Именно поэтому для ТТ не представляется возможной реализация всех тех методов создания инверсии, которые были характерны для газов. В случае диэлектрика практически единственным способом воздействия на ТТ, не приводящим к его разрушению, является облучение тела светом. При наличии проводимости воз-можно пропускание электрического тока. Наличие в ТТ широких полос пог-лощения приводит к возможности поглощения облучаемым образцом большой энергии при использовании интенсивных источников немонохроматического излучения. При этом если прозрачный диэлектрик содержит некоторые при-месные центры, создающую в нем подходящую систему уровней энергии, то инверсия населенностей в ней может быть создана только путем поглощения энергии света. При этом принципиальным здесь является наличие, по крайней мере, трех уровней энергии.

Если роль верхнего уровня играет широкая полоса поглощения, это позво-ляет использовать значительную часть спектра нелазерного источника накачки. Ниже должен располагаться узкий (метастабильный) уровень, время жизни которого велико. Такая ситуация обеспечивает возможность накопления боль-шого числа частиц на метастабильном уровне. Для достижения порога гене-рации необходимо, чтобы плотность частиц на метастабильном уровне превы-шала их плотность на основном (нижнем) уровне, с которого для этого тре-буется возбудить более 50 % частиц. Наиболее распространенной трехуров-невой средой для лазеров является рубин (корунд Al2O3 с примесью ионов Cr3+).

В такой системе инверсия создается по отношению к основному состоянию, поэтому верхний лазерный уровень за счет безызлучательных переходов должен населяться быстрее, чем опустошаться. Однако возникает инверсия не сразу после включения накачки. Частицы должны накопиться на метастабиль-ном уровне под действием излучения накачки в течение некоторого времени. При этом необходимость предварительной затраты энергии при создании ин-версии населенностей метастабильного уровня по отношению к основному состоянию в оптической трехуровневой системе обусловлена тем, что прихо-дится переводить с основного уровня  через промежуточный уровень   на метастабильный уровень  по крайней мере половину всех частиц. Роль нижнего лазерного уровня при этом играет основное состояние, которое, как правило, хорошо заселено. Поэтому представляют большой интерес схемы, в которых оптическая накачка создает инверсию по отношению к незаселенному терми-чески уровню. Это может быть реализовано с помощью четырехуровневой системы. В этом случае между метастабильным и основным уровнями имеется промежуточный — «нижний рабочий уровень», который должен быть распо-ложен настолько выше основного, чтобы в условиях термодинамического равновесия он был заселен достаточно слабо. При этом порог генерации дости-гается, когда населенность метастабильного уровня превосходит населенность нижнего рабочего уровня.  Таким образом, на основном уровне может оста-ваться более 50 % частиц, что существенно снижает требования к источнику накачки. В такой схеме нижний лазерный уровень должен опустошаться за счет безызлучательных переходов в основное состояние быстрее, чем заселяться переходами с верхнего лазерного уровня. В этом случае канал безызлучатель-ного заселения верхнего лазерного уровня является наиболее эффективным релаксационным процессом в этой системе уровней.

Метод радиационной накачки в многоуровневых системах является мощным и достаточно общим методом создания активной среды. При этом в ТТ столк-новения частиц друг с другом исключены. Поэтому активные центры, обычно ионы, диссипируют свою избыточную энергию в колебательный резервуар кристаллической решетки ТТ,  играющий роль того термостата, в который пог-ружены активные центры. Кроме того, релаксация энергии активных центров в колебания решетки является многофотонным процессом. Более высоко распо-ложенные уровни энергии активного центра  непосредственно в решетку релак-сируют медленнее, чем уровни, расположенные ниже. Это обстоятельство благоприятствует созданию инверсии.

Примесные  ионы, будучи внедрены изоморфно в решетку кристаллической матрицы, подвергаются воздействию внутрикристаллического поля. Занимая место какого-то основного иона решетки, в идеальном кристалле все примес-ные  ионы находятся в одинаковых условиях. При этом внутрикристаллическое поле одинаково для всех этих ионов, имеет одну силу, ориентацию, симметрию и одинаковым образом возмущает все уровни энергии всех ионов. Чем совер-шеннее кристалл, тем меньше разброс значений силы поля в местах внедрения  ионов и тем меньшее уширение уровней вызывает влияние внутрикристалли-ческого поля. Очевидно, что пространственная неоднородность поля приводит к неоднородному уширению линий соответствующих переходов для всего образца в целом. В стеклянных матрицах неоднородное уширение особенно велико.

Сразу отметим, что в некоторых кристаллах существует несколько кристал-лографически неэквивалентных положений, в которые могут попадать примес-ные ионы. В таких случаях возникают подсистемы неэквивалентных ионов, каждая из которых обладает своим характерным спектром и для каждой из которых справедливы все предыдущие рассуждения.

Так как в лабораторной работе используется лазер ЛТИ-5, представляющий собой оптический квантовый генератор на монокристалле алюмоиттриевого граната, легированного неодимом, остановимся более подробно на работе дан-ного лазера.

Для работы по четырехуровневой системе наиболее перспективными оказались ионы редкоземельных элементов, незаполненная 4f-оболочка кото-рых расположена ближе к ядру, чем 3d-оболочка элементов группы железа и 5f-оболочка актинидов. Известно, что 4f-оболочка хорошо экранируется 5s- и 5p-оболочками. Поэтому положение уровней слабо зависит от типа матрицы. Для редкоземельных ионов характерно наличие узких линий люминесценции на переходах между состояниями оболочки 4f. Ионы группы редких земель обла-дают также интенсивными полосами поглощения на переходах 4f-5d, удобными для накачки активных сред.

Наибольшее значение имеет ион  Nd3+, который  легко активирует многие матрицы. Из них самыми перспективными оказались кристаллы иттрий-алюминиевого граната  (ИАГ) с неодимом, имеющим формулу Y3Al5O12 (Cr3+, Nd3+). Неодим и хром входят в матрицу иттрия в виде ионов замещения.

Концентрация неодима составляет 1,3….1,5 %, а хрома — 1 %. Слой 4f  иона Nd3+ заполнен электронами  не полностью. Их взаимодействие с внешними полями экранируется электронами заполненных оболочек  5s2 и 5p6. Слабое воздействие поля решетки на электроны слоя  4f  обусловливает слабое рас-щепление их энергетических уровней.  Метастабильным является уровень

4 F3/2 со временем жизни примерно 0,2 мс.  Излучательному переходу 4 F3/2


4 I13/2 соответствует длина волны 1,34 мкм (см. рис. 1);  переходу  4 F3/2 →  4 I11/2

 

4 I9/2

 

Рис. 1. Диаграмма энергетических уровней неодима  Nd3+ в кристалле  YAG

—длина волны 1,06 мкм и переходу 4 F3/2 →  4 I9/2 —длина волны 0,91 мкм.

Основным является переход с длиной волны  1,06 мкм, с шириной линии  6,5 см-1 при комнатной температуре и 1 см-1 при температуре кипения азота.

Полосы поглощения энергии накачки расположены в интервале  0,7 …0,9 мкм. С целью расширения полосы поглощения в матрицу вводят вторую примесь — атомы хрома, в результате чего нижняя граница сдвигается до 0,4

мкм. Увеличение эффективности накачки вследствие сложения полос погло-

щения   Cr3+ и  Nd3+ заметно только в непрерывном режиме.  Указанный  эф-

фект, как   было сказано выше, называется сенсибилизацией, а примесь  Cr3+ является сенсибилизатором. Сенсибилизаторами могут быть также и ионы матрицы.  Энергетическая щель между состояниями  4 I11/2 и 4 I9/2, равная при-мерно 2000 см-1,  обеспечивает четырехуровневый характер генерации неоди-мового лазера. Чем ближе к уровню 4 F3/2 расположены полосы поглощения, тем выше КПД генерации.

Полный  КПД  твердотельных лазеров зависит от многих параметров, в том числе и от эффективности оптической накачки. Оптической накачкой назы-вается способ создания инверсии при облучении активного вещества излу-чением специального внешнего источника.  Система оптической накачки содержит в общем случае лампу накачки, излучающую лучистый поток, и светооптическую арматуру, концентрирующую поток накачки на активном элементе.

Различают когерентную и некогерентную накачки. При когерентной накачке источником излучения служит вспомогательный лазер.  Источником некогерентного излучения может служить излучение собственных источников, например  солнца и искусственных источников. К последним относятся газо-разрядные импульсные лампы, лампы непрерывного горения (газоразрядные и накаливания), искровые разрядники, пламя, взрывающиеся проволочки, полу-проводниковые люминесцентные светодиоды и т. д.  При накачке твердотель-ных лазеров наибольшее распространение получила некогерентная накачка.

Эффективность системы накачки можно определить как отношение погло-щаемого в активном материале лучистого потока к мощности потребляемой всеми лампами накачки. Эффективность системы накачки зависит от КПД лампы накачки,  светооптической арматуры и эффективности использования излучения накачки.

В качестве источников накачки  наибольшее распространение  получили газоразрядные импульсные лампы. В последние годы лампы накачки лазеров ввиду специфики предъявляемых к ним требований  образовали особый класс газоразрядных источников оптического излучения. Прямолинейная конст-рукция ламп накачки, обеспечивающая их наивысшую надежность и наиболее рациональное сопряжение конструктивных элементов лазера, является доми-нирующей среди  серийных типов. Лампы сложной конструкции (спиральные, полостные, П-образные) широкого применения  не нашли.