Лазеры на средах, активированных неодимом

В средах, активированных примесью редкоземельных элементов в качестве генерирующих центров, реализуется работа по четырехуровневой схеме, а не по трехуровневой, как в лазере на рубине, что повышает КПД и улучшает некоторые параметры таких твердотельных лазеров.

Материалы на основе иттрий-алюминиевого граната У₃А1₅0₁₂, вольфрамата кальция СаЮ₄ и стекол с примесями иона неодима Ыс1³⁺, а также фториевого кальция СаР₂ с двухвалентным ионом диспрозия И²¹ или трехвалентным ионом урана и³⁺ требуют сравнительно малой энергии возбуждения, поскольку работают по четырехуровневой схеме, которая, как отмечалось ранее, обладает большей эффективностью по сравнению с трехуровневой. Следует подчеркнуть, что из всех 14 редкоземельных элементов наилучшие результаты получены с использованием трехвалентных ионов неодима. Механизм генерирования оптических колебаний по четырехуровневой схеме можно проиллюстрировать на примере лазера на вольфрамате кальция (СаУ0₄) с примесью ионов Ы<1³⁺. Для матрицы УАО — иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) происходящие при накачке процессы принципиально те же, что и для матрицы Са¥0₄.

Диаграмма энергетических уровней Ыс1³⁺ в решетке СаУ0₄ приведена на рис. 20.11, где показаны сравнительно узкие полосы поглощения в видимой (X ~ 0,58 мкм) и ближней инфракрасной (X ~ 0,74; 0,81; 0,88 мкм) областях спектра. Эти полосы поглощения выполняют роль третьего уровня (см. рис. 17.2,0).

Рис. 20.11.

Наиболее интенсивная полоса поглощения с максимумом А. — = 0,58 мкм имеет ширину около 0,002 мкм. Полосы с X ~ 0,81 мкм и 0,88 мкм очень удобны для накачки полупроводниковыми лазерами и светодиодами на основе арсенида галлия. Возбужденные за счет энергии источника накачки ионы неодима на уровнях 3 быстро переходят на метастабильный уровень 2, время жизни которого велико (т₂₄ = 0,23 мс), и накапливаются на нем, создавая инверсию населенностей относительно уровня 4.

Рабочие лазерные переходы с уровня 2 возможны в состояние ⁴/_15/2, ⁴/13/2″ ⁴-^ п/2' ⁴^9/2' ^но наиболее сильным является переход ⁴Р₃ 2 —* ⁴^11/2 (^на уровень 4) с длиной волны X = 1,06 мкм. Нижний рабочий лазерный уровень 4 расположен примерно на 0,25 эВ выше основного уровня 1. Быстрый безизлучательный переход с уровня 4 в основное состояние 1 обеспечивает эффективное опустошение нижнего рабочего уровня и повышает инверсию населенностей между уровнями 2 и 4. Такая схема переходов и определяет четырехуровневый характер генерации излучения неодимового лазера.

Энергетический зазор в 0,25 эВ между уровнями 1 и 4 существенно больше энергии кТ (кТ = 0,026 эВ при Т = 300 К), поэтому уровень 4 при комнатных температурах в равновесном состоянии (в отсутствие накачки) практически не населен и для достижения инверсной населенности на переходе 2 — 4 требуется сравнительно небольшая энергия в отличие от трехуровневой схемы рубинового лазера. Пороговая инверсная населенность второго уровня, при которойв четырехуровневом лазере возможна генерация, определяется в основном потерями в резонаторе. В неодимовом лазере верхний рабочий уровень 2 расщеплен на два подуровня, а нижний уровень 4 — на шесть подуровней (не показаны на рис. 20.11). В результате излучение на длине волны X = 1,06 мкм имеет сложную (тонкую) структуру. Наиболее сильная линия имеет полосу около 195 ГГц при комнатной температуре.

Процесс развития генерации излучения в неодимовом лазере реализуется так же, как и в других типах лазеров. Когда населенность уровня 2 превысит пороговую величину, в резонаторе лазера усиливаются волны на частоте рабочего перехода. Под действием возникшего первоначального поля излучения ионы неодима совершают индуцированные излучательные переходы 2 —> 4_У а затем с уровня 4 безизлучательно переходят в основное состояние. Наличие промежуточных уровней (уровни между 2 и 4) не особенно сказывается на характере описанных процессов, поскольку вероятности переходов на эти уровни относительно невелики.

Недостатком лазеров на основе вольфрамата кальция является необходимость компенсации с помощью одновалентных ионов щелочных металлов неравновесного заряда в решетке, который возникает вследствие того, что трехвалентные ионы неодима замещают в узлах решетки двухвалентные ионы кальция. Возникающие вследствие этого локальные электрические поля приводят к неконтролируемым сдвигам энергетических уровней ионов неодима, что вызывает увеличение пороговой энергии. Компенсация заряда с помощью ионов щелочных металлов снижает увеличение пороговой мощности почти на порядок.

Активная среда на основе УАИ с примесью неодима (УАИ: Ыс1^3<) в значительной мере лишена недостатков, присущих вольфрамату кальция. В УАв: Ыс1³" трехвалентные ионы неодима заменяют трехвалентные же ионы иттрия, что исключает необходимость компенсации неравновесного заряда и поэтому снижает пороговую энергию возбуждения лазера. Кроме того, кристаллы граната обладают высокой теплопроводностью и малыми оптическими потерями. Благодаря указанным достоинствам лазеры на гранате работают как в непрерывном, так и импульсном режиме генерации с большой частотой повторения импульсов и средней мощностью до нескольких сотен Вт.

К недостаткам всех кристаллов, активированных редкими землями, относится отсутствие широких полос поглощения. Уровни 3 имеют незначительную ширину, поэтому использование ламповой накачки оказывается малоэффективным. Для увеличения эффективности накачки при использовании газоразрядных ламп накаливания в кристаллическую матрицу граната наряду с активными ионами вводят ионы другого вида, называемые сенсибилизаторами, которые имеют широкие полосы поглощения. К таким ионам относятся ионы Сг³*, которые являются сенсибилизаторами для лазера УАв: Ыс1³ Добавление сенсибилизатора приводит к расширению эффективной полосы поглощения излучения накачки кристаллами граната с примесями, что повышает КПД лазера.

Помимо кристаллических матриц, широко используются активные среды на основе стекол с примесью редкоземельных элементов, чаще всего № 1³'. Стекла являются аморфными средами и по сравнению с рассмотренными ранее обладают более высокой оптической однородностью, технологичностью, возможностью изготовления активных элементов больших размеров и возможностью введения примеси в необходимых для получения большой мощности концентрациях с равномерным распределением по объему. К наиболее заметным недостаткам стекол как активных элементов относятся: низкая теплопроводность, высокий температурный коэффициент линейного расширения, ограниченная область оптической прозрачности (0,33…2,5 мкм), которая при введении примеси еще более сужается. Кристаллические и аморфные матрицы хорошо дополняют друг друга.

В стеклах из-за местных неоднородных электростатических полей, вызванных примесью, происходит сильное неоднородное уширение спектральных линий (см. п. 17.2) как при излучении, так и поглощении. Длина активных элементов на стеклах может достигать 1 м с поперечным сечением более 500 см² (диаметр около 25 см). С использованием таких элементов при большой концентрации активной примеси можно получать большую энергию импульсов (до нескольких тысяч Дж). Однако величина снимаемой средней мощности с активных стеклянных сред ограничена низкой теплопроводностью стекол. В импульсном режиме возможна генерация сверхкоротких световых импульсов длительностью до 5*10^-13с мощностью в импульсе до 10¹³ Вт и более. КПД лазеров на стеклах выше, чем на гранатах. Он достигает значений порядка 8… 10%.