Активные элементы мощных лазеров

Активные элементы мощных твердотельных лазеров изготавливаются на основе кристаллических или аморфных диэлектриков с вводимыми в них активными центрами. Основу таких элементов называют матрицей, а вводимые активирующие вещества – примесью-активатором. К матрице предъявляют следующий набор требований: 1) легкость введения активатора; 2) оптическая однородность и прозрачность на длинах волн лазерной генерации и излучения накачки; 3) высокая теплопроводность, термо- и термооптическая стойкость, высокая лучевая прочность по отношению к излучению накачки; 4) механическая прочность; 5) возможность качественной оптической обработки поверхностей.

Известны не менее 250 видов кристаллов и десятки типов стекол, используемых в качестве матриц. В своем большинстве они не годятся для создания активных элементов мощных лазеров. Сегодня для этих целей с определенными ограничениями используют стержни из синтетического рубина и без всяких ограничений алюмоиттриевые гранаты и некоторые сорта активированных стекол.

Синтетический рубин был первым элементом, на основе которого в 1960 году Т. Мейман создал прибор, генерирующий когерентное излучение в оптическом диапазоне длин волн. Синтетический рубин выращивается на основе a-модификации корунда (a-Al₂O₃). Эту модификацию называют лейкосапфиром. Активный рубиновый стержень получают путем плавления порошкообразной шихты Al₂O₃+Cr₂O₃ в высокотемпературном пламени с последующей кристаллизацией расплава на вращающейся затравке. В таком процессе происходит изоморфное замещение в решетке матрицы части ионов Al³⁺ ионами Cr³⁺. В лазерном кристалле содержится около 0,05% ионов хрома, а их абсолютная концентрация составляет ~1,6×10¹⁰см^{– 3}. Такова концентрация активных центров в этом лазерном элементе.

Матрица из лейкосапфира прозрачна в спектральном диапазоне длин волн от ~200 до ~600 нм, она обладает высокой механической прочностью и хорошо поддается оптической обработке. Включенные в матричную решетку ионы хрома Cr³⁺ находятся в невозбужденном состоянии. Под воздействием достаточно мощного оптического излучения (накачка) они переходят в возбужденное состояние. Энергетический спектр трижды ионизованного хрома определяется переходами трех электронов основного уровня 3d на более высокие энергетические уровни. Но ион хрома в матрице окружен шестью отрицательными ионами О^2-, образующими октаэдр. Следовательно, он помещен в сильное электрическое поле этих ионов, что смещает его энергетические уровни по сравнению с их положением у изолированного иона.

Рубиновые стержни изготавливаются диаметром от 3,5 до 20 мм и длиной от 45 до 300 мм. Коэффициент преломления для обыкновенной волны равен 1,769, а для необыкновенной волны соответственно 1,76.

Недостатки рубинового элемента: 1) значительная оптическая неоднородность из-за дефектов кристаллической решетки; 2) неравномерное распределение ионов хрома в матрице. Обычно в центральной части стержня концентрация хрома меньше, чем на краях, соответственно там и коэффициент преломления меньше. В результате образец с взаимно параллельными торцевыми поверхностями ведет себя как рассеивающая линза. Эти же особенности вызывают повышенную расходимость лазерного луча. Для уменьшения таких отрицательных эффектов применяют отжиг кристалла и компенсацию оптической неоднородности путем придания поверхности одного из торцов сферической формы с соответственно подобранным радиусом кривизны. С целью компенсации линзового эффекта в оптический резонатор вводят положительную линзу. К недостаткам рубина следует отнести также относительно высокий коэффициент поглощения излучения в полосе оптической накачки. По этой причине диаметр стержня ограничивается, а проработка светом уменьшается по мере продвижения от края к центру.

Алюмоиттриевый гранат (YAG). Это кристалл Y₃Al₅O₁₂, активированный трехвалентными редкоземельными ионами. Такими, например, как эрбий Er³⁺, гольмий Но³⁺, празеодим Pr³⁺, неодим Nd³⁺, тулий Tu³⁺ и другими. Широко используется в качестве присадки неодим, трехзарядный ион которого замещает в кристалле трехвалентный ион иттрия. Это вызвано тем, что получение генерации на гранате с присадкой большинства редкоземельных ионов требует низких температур (~77 К). К этому неудобству добавляется наличие высокого порога возбуждения. У YAG:Nd порог возбуждения относительно низкий, и нет необходимости прибегать к глубокому охлаждению кристалла. Оптимальная концентрация ионов Nd³⁺ – до 3%. YAG обладает высокой механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Это позволяет осуществлять лазерную генерацию не только в импульсном, но и в частотно-импульсном режиме. В частности, при умеренных энергетических режимах возможна генерация с частотой повторения импульсов до нескольких килогерц.

Стекла с присадкой неодима. Стеклянные матрицы, активированные редкоземельными ионами, имеют ряд преимуществ перед кристаллическими матрицами:

§ Они просты и относительно дешевы в изготовлении;

§ Позволяют изготавливать стержни и диски больших размеров и любой формы, что обеспечивает получение больших энергий излучения от одного элемента (до нескольких кДж);

§ Обладают высокой оптической однородностью и обеспечивают более высокий к.п.д.

Но стеклам присущи и серьезные недостатки. Среди наиболее серьезных – сравнительно низкая теплопроводность, исключающая возможность их использования в частотно-импульсном режиме, относительно низкая механическая прочность, прояв­ление "эффекта старения". Эффект старения связан с тем, что в состав любого стекла входит нежелательная примесь окиси железа FeO в количестве не более 0,01%. Под действием ультрафиолетовой составляющей оптического излучения протекает фотохимическая реакция перехода окиси в закись железа. Но закись железа даже в столь небольших количествах резко повышает коэффициент поглощения стекла на длине волны лазерной генерации. Поэтому со временем начинает сни­жаться к.п.д. и выходная энергия лазерной генерации.

В качестве матриц применяются стекла разных типов и марок: силикатные, боратные, лантановые и литий-лантан-фосфатные. Например, одна из разновидностей силикатных стекол – бариевое стекло, имеет такой состав: SiO₂ – 59%, BaO – 25%, K₂O – 15%, Sb₂O₃ – 1%. В процессе изготовления активного элемента в стеклянную шихту добавляют от 0,13 до 2% Nd₂O₃. Более высокие концентрации присадки нежела­тельны, они ведут к заметному снижению времени жизни возбужденного уровня иона неодима вследствие концентрационного тушения. А этот уровень является верхним лазерным уровнем. Для повышения фотохимической устойчивости стекла в него вводят небольшое количество церия. Пока наибольшее распространение получили ак­тивные элементы, матрицей которых служат литий-лантан-фосфатные стекла (для краткости просто фосфатные стекла). В них допустимо почти полное замещение лития неодимом, что обеспечивает рекордный к.п.д. твердотельных лазеров, достигающий 5%.

Активные стержни могут иметь как круглое, так и прямоугольное сечение. Существуют активные элементы в форме дисков. Обычные геометрические размеры стерж­ней: диаметр (или сторона прямоугольника) от 5 до 60 мм, длина от 80 до 1200 мм. В стержнях встречаются мелкие включения в виде пузырьков газа или посторонних твердых микрочастиц. Качество стержня определяется размерами и количеством та­ких включений. Соответствующие допуски определяются существующими стандар­тами.

При накачке активных стержней со стеклянной матрицей оптическим излучением, активирующая присадка ионов Nd³⁺ возбуждается точно так, как это происходит в случае кристаллической матрицы. Но есть и различия. В стекле проявляются заметные локальные неоднородности полей, создаваемых ближайшим окружением иона неодима. YAG характеризуется более высоким уровнем упорядоченности, в нем такие поля однородны. Поэтому линия люминесценции l = 1,06 мкм в стекле сильно уширена, порядка 30 нм. В кристалле YAG уширение не превышает 0,7 нм. Соответственно лазер на стекле создает более богатую модовую структуру генерируемого излучения и меньшее усиление, чем лазер на гранате. С другой стороны, время жизни верхнего лазерного уровня в случае YAG:Nd составляет 0,2 мс, а в случае стекла с неодимом – 0,7 мс, что благоприятствует концентрации возбужденных центров на верхнем лазерном уровне. Подробности о лазерах на силикатных стеклах смотри в [13].

Дата добавления: 2015-10-16