Лазеры на основе кристаллических диэлектриков

Длина волны, мкм Рис. 5.3. Разновидности и параметры твердотельных лазеров

Помимо полупроводниковых, известны твердотельные лазеры на основе диэлектриков. Обычно эти устройства используют внутрицентровую люминесценцию, а возбуждение про­исходит не электрическим, а оптическим способом. Разновидности и параметры твердо­тельных лазеров иллюстрирует рис. 5.3.

В I960 г. Т. Мейман описал лазер на ос­нове рубина. Кристалл Аl₂0₃ содержит при­меси хрома в виде ионов Сг³⁺. При этом не­большая часть атомов алюминия (0,05%) замещается атомами хрома.

Уровни хрома располагаются в пределах широкой запрещенной зоны Al₂0₃ (∆W ≈ 6 эВ). Процессы поглощения энергии и излучения происходят внутри этих центров свечения (рис. 5.4).

Свет мощной ксеноновой лампы пере­водит электроны с основного уровня Е₁ на возбужденные уровни Е₃ и Е₄, образующие две широкие полосы. Примерно через 10 нc электроны падают на уровень Е₂, называе­мый метастабильным. Здесь они могут на­ходиться, примерно, 10-³ с. Разница энер­гий Е₃ – Е₂ превращается в теплоту.

На уровнях Е₂ происходит накопление электронов и создается инверсная населен­ность по отношению к уровню Е₁.

Свет с частотой v, согласно условию hν = Е₂-Е₁ вызывает вынужденные переходы с уровней Е₂ на Е₁. Излучение имеет длину волны, соответствующую красному свету (λ = 0,69 мкм).

Конструкция твердотельного лазера изображена на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Конструкция твердотельного лазера: 1 — стержень активного вещества; 2— инфракрасный светодиод; 3 — оптическая среда; 4 — теплоотвод; 5 — фиксирующая оправка

Кристалл рубина имеет вид цилиндра диаметром около 1 см и длиной около 10 см. Тор­цы кристалла отшлифованы и выполняют функции зеркал. Усиление и излучение света про­исходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.

Для миниатюрных оптоэлектронных устройств лучше подходит лазер на основе кри­сталлов иттриево-алюминиевого граната YAG. В эти кристаллы добавляются примеси не­одима (Y₃Al₅О₁₂:Nd³⁺). Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия. Лазер из­лучает инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм. Для возбуждения можно использовать инфракрасные светодиоды из GaAlAs с длинной волны (λ = 0,081 мкм), соответствующей полосе поглощения неодима. Благодаря высокой концентрации центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт).

Лазер имеет малые размеры (длина резонатора около 1 см); КПД YAG-лазеров состав­ляет 1-20 %.

При правильном выборе спектра элемента накачки достигается 50%-ное использование оптической энергии.

Основной режим работы твердотельных лазеров — импульсный. Для них характерны большая мощность одиночного импульса, невысокая когерентность излучения. Многие из них нуждаются в охлаждении активного элемента и элемента накачки.

Улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения (когерентно­сти, монохроматичности, направленности) достигается за счет перехода к одномодовому режиму генерации и уменьшения энергетического КПД.