Лазеры на кристаллах с активаторами

Принцип действия лазеров на кристаллах с активаторами

Лазеры на кристаллах с активаторами представляют собой твердотельные лазеры, в которых активная среда реализована в виде диэлектрического кристалла, легированного ионами редкоземельных или переходных металлов. Энергетические уровни ионов-активаторов обеспечивают возможность реализации лазерной инверсии населения, а кристаллическая решётка служит механической и оптической матрицей, обеспечивающей устойчивость и теплопроводность.

Основной принцип действия заключается в возбуждении ионов-активаторов внешним источником (оптическая накачка, диодная накачка и др.), последующем релаксационном переходе и излучении когерентного фотона при переходе на нижний энергетический уровень. Энергетическая диаграмма, как правило, многоуровневая, включая метастабильные состояния, обеспечивающие длительное время жизни возбуждённых состояний.

Активаторы и кристаллические матрицы

Наиболее распространённые активаторы — ионы Nd³⁺ (неодим), Yb³⁺ (иттербий), Er³⁺ (эрбий), Cr³⁺ (хром) и др. Их выбор определяется длинами волн генерации, квантовой эффективностью, временем жизни верхнего лазерного уровня и спектральной шириной перехода.

Кристаллические матрицы, в которых размещаются активаторы, должны обладать высокой прозрачностью в рабочем диапазоне длин волн, термической стойкостью, механической прочностью и минимальной кристаллической неоднородностью. Наиболее применяемые материалы:

YAG (иттриево-алюминиевый гранат): Y₃Al₅O₁₂ — наиболее широко используемая матрица, особенно в Nd:YAG-лазерах;
YVO₄ (ортованадат иттрия): применяется в Nd:YVO₄ лазерах, обладает большей эффективностью при диодной накачке;
GdVO₄, LuVO₄ — вариации на базе ортованадатов;
LiYF₄ (YLF) — матрица с пониженной теплопроводностью, но высоким качеством генерации;
Al₂O₃ (сапфир) — применяется в титан-сапфировых лазерах.

Nd:YAG-лазер

Nd:YAG (неодим в YAG-матрице) — один из наиболее изученных и используемых типов твердотельных лазеров. Лазерная генерация происходит на длине волны 1064 нм при переходе с метастабильного уровня ⁴F₃/₂ на ⁴I₁₁/₂. Время жизни верхнего уровня составляет порядка 230 мкс, что обеспечивает устойчивую инверсию населения. Накачка может быть осуществлена лампами или полупроводниковыми лазерами.

Возможны переходы и на других длинах волн (например, 946 нм, 1319 нм, 1444 нм), что расширяет область применения.

Ti:Al₂O₃-лазер (титан-сапфировый лазер)

Ионы Ti³⁺, легированные в кристалл сапфира, образуют широкую полосу поглощения и излучения, что позволяет реализовать непрерывно перестраиваемую генерацию в диапазоне от 650 до 1100 нм. Особенностью Ti:Al₂O₃-лазеров является их способность к сверхкоротким импульсам (фемтосекундная генерация), высокая добротность и высокая насыщаемость.

Титан-сапфировые лазеры работают, как правило, с оптической накачкой от аргоновых или Nd:YAG лазеров, либо диодных источников. Из-за широкой полосы усиления Ti:Al₂O₃ является стандартом в лазерной спектроскопии и фемтосекундной технике.

Yb³⁺-легированные кристаллы

Иттербий представляет собой эффективный активатор для твердотельных лазеров с высокой мощностью. Наиболее популярны лазеры на Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW. Переход осуществляется между уровнями ²F₇/₂ и ²F₅/₂. Особенность — отсутствие паразитных уровней, что приближает схему к двумуровневой и требует высокой плотности накачки.

Преимущества иттербиевых лазеров включают:

узкая ширина линии генерации (10-15 нм);
высокая квантовая эффективность;
низкая теплонагрузка (малый квантовый дефицит);
возможность генерации высокой средней мощности.

Эрбиевые лазеры (Er³⁺)

Лазеры с ионами эрбия обладают длиной волны генерации около 1.54 мкм, что совпадает с максимумом прозрачности оптического волокна и делает их важными для телекоммуникаций. Кроме того, данная длина волны безопасна для глаза, что обеспечивает их применение в медицине, офтальмологии и дистанционном зондировании.

Матрицы: YAG, YSGG, стекло.

Накачка осуществляется, как правило, через уровни ⁴I₁₁/₂ или ⁴I₉/₂. Эффективность ограничена из-за паразитных переходов и перекрёстного насыщения.

Cr³⁺-легированные кристаллы

Кристаллы с активатором Cr³⁺, такие как Cr:LiSAF и Cr:YAG, используются в основном для генерации перестраиваемого или пассивного модулируемого излучения. Cr:LiSAF (литий-самариевый фторид) генерирует в диапазоне 780–1000 нм, а Cr:YAG (хром-легированный гранат) широко применяется как пассивный модулятор добротности для Nd:YAG и других лазеров на 1.06 мкм.

Параметры генерации и конструкции резонаторов

Для эффективной работы лазеров на кристаллах с активаторами важны:

качество кристаллов — однородность, отсутствие включений, низкий уровень примесей;
конструкция резонатора — зависит от режима генерации: непрерывный, импульсный, режим с модуляцией добротности, генерация сверхкоротких импульсов;
режим охлаждения — теплоотвод крайне важен для предотвращения термической линзы и разрушения кристалла.

Применяются линейные, конфокальные, кольцевые и V-образные резонаторы с различными типами зеркал и активных элементов. Часто используются технологии двойной или поперечной накачки, фазосогласованные многокристаллические сборки и волноводные конфигурации.

Накачка: ламповая, диодная, оптическая

Традиционно лазеры на кристаллах накачивались газоразрядными лампами (ксеноновыми, криптоновыми), но с развитием полупроводниковых источников диодная накачка стала основным методом, обеспечивая:

повышение эффективности (КПД достигает 50%);
компактность конструкции;
снижение тепловой нагрузки;
спектральную селективность возбуждения активатора.

Особенно хорошо с диодной накачкой сочетаются Nd:YVO₄, Yb:YAG и подобные кристаллы.

Области применения

Лазеры на кристаллах с активаторами находят применение в широком спектре научных, промышленных и медицинских задач:

высокоточная обработка материалов — сверление, резка, маркировка, пайка;
спектроскопия и метрология — особенно в Ti:Al₂O₃ и Yb-лазерах;
телекоммуникации и датчики — эрбиевые и иттербиевые лазеры;
медицина — офтальмология, дерматология, хирургия;
военные и аэрокосмические технологии — лидары, дальномеры, системы управления.

Преимущества и перспективы развития

Преимущества лазеров на кристаллах с активаторами включают:

высокую стабильность генерации;
компактность и надёжность;
возможность генерации как непрерывного, так и импульсного излучения;
широкий диапазон рабочих длин волн (от УФ до ИК);
адаптируемость под диодную накачку и волоконную передачу.

Развитие идёт по направлениям:

повышение качества и однородности кристаллов;
интеграция в микрооптические системы;
расширение спектрального диапазона;
усиление модулей на основе нескольких активных сред.

Твердотельные лазеры на кристаллах с активаторами остаются ключевым классом лазерных систем, объединяя физическую строгость, инженерную гибкость и технологическую универсальность.