Классификация и физические основы систем накачки твердотельных лазеров
Накачка в твердотельных лазерах — ключевой процесс, обеспечивающий возбуждение активных ионов в кристаллической или стеклянной матрице до верхнего лазерного уровня. Системы накачки преобразуют энергию внешнего источника в энергию, способную индуцировать инверсию населённостей. Основные методы накачки твердотельных лазеров включают оптическую (ламповую и диодную) и реже — электронную и химическую, которые рассматриваются как экзотические или специализированные.
Ламповая накачка
Ламповая накачка исторически была первой формой оптической накачки и остаётся широко используемой, особенно в высокоэнергетических импульсных лазерах.
Типы ламп: Применяются в основном ксеноновые и криптоновые газоразрядные лампы. Ксеноновые лампы дают широкополосное излучение в ультрафиолетовом и видимом диапазоне, хорошо подходящее для возбуждения широких спектров поглощения ионов редкоземельных элементов, таких как Nd³⁺.
Конструкция и размещение: Часто используются эллиптические или цилиндрические отражающие камеры (резонаторы) с лампой, размещённой параллельно активному элементу. Это позволяет фокусировать максимум оптической энергии на лазерную среду.
Преимущества и недостатки:
Диодная накачка
Полупроводниковые лазерные диоды, особенно с выходом в узких спектральных диапазонах, произвели революцию в технологии твердотельных лазеров, обеспечив возможность компактных и эффективных систем.
Спектральная селективность: Лазерные диоды могут быть точно настроены на полосу поглощения активных ионов, например, на 808 нм для Nd³⁺ в YAG, что резко повышает эффективность возбуждения.
Геометрия накачки: Существуют различные схемы — торцевая, боковая, V-образная, совместное торцево-боковое возбуждение. Наиболее часто используется торцевая накачка, особенно для диодов с узкой апертурой.
Массивы и бары: Для увеличения мощности используют диодные массивы (bars), состоящие из нескольких диодов, объединённых на подложке. Они могут быть дополнительно коллимированы и фокусированы с помощью микролинз.
Преимущества и недостатки:
Спектральное и пространственное согласование
Для максимальной эффективности необходимо соответствие между спектром излучения накачки и спектром поглощения активных ионов, а также между распределением интенсивности накачки и геометрией мод в резонаторе.
Спектральное согласование: Используются узкополосные диоды и температурная настройка. Лампы накачки проигрывают в этом аспекте из-за широкой спектральной ширины.
Пространственное согласование: Важно обеспечить совпадение области накачки с объёмом моды в активной среде, чтобы минимизировать потери и достичь однородной инверсии.
Импульсная и непрерывная накачка
Режим накачки выбирается в зависимости от назначения лазера и характеристик активной среды.
Импульсная накачка: Используется в высокоэнергетических лазерах с короткой длительностью импульса, где важна высокая пиковая мощность. Наиболее часто реализуется лампами или мощными диодными массивами с импульсным питанием.
Непрерывная накачка: Предпочтительна для приложений, требующих стабильного выходного излучения (например, в прецизионных измерениях, системах связи и пр.). Здесь особенно эффективны лазерные диоды.
Энергетическая эффективность систем накачки
КПД системы накачки — критически важный параметр, особенно в портативных и тепловоздействующих системах. Он определяется как отношение выходной оптической мощности лазера к мощности, подведённой к системе накачки.
Ламповая накачка: КПД всей системы редко превышает 2–3 %. Основные потери — в виде тепла и нефокусированной энергии.
Диодная накачка: Современные диоды обеспечивают светоэлектрический КПД > 50 %, а весь лазерный модуль может достигать общего КПД 20–25 %, что в десятки раз выше ламповых аналогов.
Тепловые эффекты при накачке
В процессе накачки значительная часть энергии преобразуется в тепло, что приводит к градиентам температуры и термооптическим эффектам: изменению показателя преломления, деформации кристалла, и, как следствие, искажению мод и снижению стабильности генерации.
Управление тепловыми нагрузками: Применяются водяное и воздушное охлаждение, тепловые интерфейсы, радиаторы, элементы Пельтье, выбор материалов с высокой теплопроводностью (например, YAG или сапфир как матрица).
Инновационные подходы к накачке
Волоконно-диодная накачка: Использование мощных волоконных лазеров в качестве источника накачки для других твердотельных лазеров позволяет повысить плотность энергии и упростить архитектуру.
Внутрирезонаторная накачка: В этой схеме источник накачки располагается внутри резонатора, что даёт более высокую плотность накачки, однако предъявляет жёсткие требования к стабильности и выравниванию оптической системы.
Самонакачка (self-pumping): Особый случай, когда одна активная среда испускает излучение, возбуждающее другую — используется, например, в комбинированных лазерах на Nd:YVO₄ и Yb:YAG.
Особенности выбора источника накачки для различных активных сред
Разные активные среды требуют специфических условий накачки:
Электронная и ионная накачка
Хотя крайне редко применяются в твердотельных лазерах, эти методы представляют собой интерес с точки зрения фундаментальных исследований.
Требования к источникам питания
Источник питания должен обеспечивать стабильность тока и напряжения, защиту от перегрева, возможность импульсного или непрерывного режима, быстрое включение/выключение, синхронизацию с управляющими сигналами и др. Для диодов особенно важна температурная стабилизация для предотвращения дрейфа длины волны.
Развитие технологий и тенденции
Современные тенденции в развитии систем накачки включают:
Системы накачки продолжают оставаться ключевым элементом в архитектуре твердотельных лазеров, определяя их энергоэффективность, надёжность, стабильность генерации и возможности интеграции в прикладные и научные установки.