Неодимовые лазеры

Активные среды на ионах неодима

Основу неодимовых лазеров составляет ион неодима Nd³⁺, легирующий кристаллическую матрицу. Наиболее распространённым активным материалом является иттрий-алюминиевый гранат (Y₃Al₅O₁₂), легированный неодимом — кристалл Nd:YAG. Кроме него используются Nd:YVO₄ (неодим-ванадат иттрия), Nd:YLF (фторид-иттриевый кристалл), а также стеклянные среды, легированные неодимом (Nd:Glass). Основное лазерное излучение формируется за счёт перехода между уровнями 4F3/2 → 4I11/2, соответствующего длине волны ≈1064 нм. Это позволяет генерировать излучение в ближнем инфракрасном диапазоне.

Неодим обладает высокой квантовой эффективностью, а также достаточно длинным временем жизни верхнего лазерного уровня (до сотен микросекунд), что делает возможной реализацию как импульсного, так и непрерывного режимов генерации.

Параметры генерации и режимы работы

Неодимовые лазеры могут функционировать в различных режимах:

  • Непрерывная генерация. Возможна при достаточной мощности накачки (оптической, чаще всего ламповой или диодной), благодаря устойчивой инверсии заселённостей на рабочем переходе.

  • Импульсный режим. Широко используется благодаря длительному времени жизни возбуждённого состояния. Генерация может осуществляться с использованием Q-модуляции (внутрикаверного переключения добротности) или с помощью пассивных затворов. Длительность импульсов может варьироваться от наносекунд до миллисекунд.

  • Модуляция добротности (Q-switching). Позволяет получить короткие импульсы (несколько наносекунд) с высокой пиковой мощностью (до гигаватт).

  • Генерация сверхкоротких импульсов (mode-locking). Возможна в Nd:YAG и Nd:YVO₄-лазерах, что позволяет достигать длительностей импульсов менее 100 фс.

Оптическая накачка

Накачка активной среды обычно осуществляется с использованием газоразрядных ламп (ксеноновых или криптоновых) либо полупроводниковых лазеров. Диодная накачка имеет ряд преимуществ: высокая эффективность, компактность, длительный ресурс и возможность плотной спектральной селекции. Для Nd:YAG-лазера длина волны эффективной накачки — около 808 нм, соответствующая переходу из основного состояния 4I9/2 на возбужденный уровень 4F5/2, который затем быстро релаксирует на метастабильный уровень 4F3/2, участвующий в лазерной генерации.

Кристаллы-носители активной среды

  • Nd:YAG. Имеет высокую теплопроводность (~11 Вт/(м·К)), механическую прочность, низкий порог генерации и возможность масштабирования. Это делает его предпочтительным выбором для промышленных, медицинских и военных приложений.

  • Nd:YVO₄. Обладает более высоким коэффициентом поглощения накачки и большим дифференциальным коэффициентом усиления, но имеет меньшую теплопроводность и прочность. Чаще используется в компактных и диодно-накачиваемых лазерах.

  • Nd:Glass. Применяется в системах с высокой энергией импульса, но обладает меньшей теплопроводностью и широким спектральным уширением переходов, что подходит для сверхкоротких импульсов.

Конструктивные особенности лазеров

Неодимовые лазеры могут иметь различную архитектуру:

  • Ламповая накачка. Применяется в Nd:YAG-стержневых лазерах для генерации мощных импульсов.

  • Диодная накачка. Используется в компактных и энергоэффективных лазерах, как с торцевой, так и боковой схемой накачки. В случае торцевой накачки обеспечивается наилучшее перекрытие накачки и моды резонатора.

  • Волоконные резонаторы. Используют монолитные схемы с минимальной настройкой. Диодно-накачиваемые микрорезонаторы (миролазеры) на Nd:YVO₄ обеспечивают выходные мощности до нескольких ватт при миниатюрных размерах.

  • Охлаждение. Является критически важным для поддержания стабильной генерации и предотвращения термической деполяризации. В Nd:YAG-системах часто применяется водяное охлаждение.

Нелинейные преобразования и частотное удвоение

Излучение неодимовых лазеров удобно для последующих нелинейных преобразований. Частотное удвоение излучения 1064 нм с использованием нелинейных кристаллов (KTP, LBO, BBO и др.) позволяет получать:

  • Зелёное излучение (532 нм) — удвоение Nd:YAG.
  • Ультрафиолетовое излучение (355 нм, 266 нм) — при генерации третьей и четвёртой гармоник.

Комбинация Nd:YAG с нелинейными кристаллами образует основу многих твердотельных источников зелёного и ультрафиолетового излучения, используемых в биомедицине, микрообработке и голографии.

Преимущества и особенности

  • Высокая стабильность генерации.
  • Длительный срок службы.
  • Возможность накачки от компактных лазерных диодов.
  • Высокое качество пучка (особенно в TEM₀₀ режиме).
  • Поддержка частотной селекции и возможности узкой спектральной генерации.

Области применения

  • Промышленность. Лазерная резка, сварка, маркировка, микрообработка. Nd:YAG широко используется для обработки металлов и керамик.

  • Медицина. Хирургические лазеры, офтальмология, косметология. Излучение 1064 нм хорошо проникает в ткани, а при удвоении (532 нм) — эффективно поглощается пигментами.

  • Научные исследования. Стабильные источники накачки для нелинейной оптики, генерации фемтосекундных импульсов, исследования спектроскопии высокого разрешения.

  • Военное применение. Дальномеры, целеуказатели, системы наведения, лазерное оружие на основе накачиваемых Nd:Glass-лазеров.

Современные достижения

Развитие технологий диодной накачки и охлаждения привело к созданию высокоэффективных компактных лазеров с КПД более 50%. Использование волоконных схем, полимерных резонаторов, а также интеграция с микрооптическими компонентами позволяет внедрять Nd-лазеры в портативные приборы и даже в носимую электронику. Создание одночастотных лазеров на Nd:YAG с узкой линией генерации (менее 1 кГц) стало возможным благодаря внедрению стабилизации по внешнему эталону и термостабилизации резонатора.

Перспективы развития

Продолжается исследование новых кристаллов-носителей, обладающих лучшей термостойкостью и большей спектральной шириной. Применение неодимовых лазеров в системах генерации когерентного УФ и рентгеновского излучения через высокоэффективные нелинейные каскады открывает путь к новым областям применения в наноэлектронике и фотохимии.

Оглавление