Иттербиевые лазеры

Физические основы итербиевых лазеров

Природа активной среды и энергетическая схема итербия Итербиевые лазеры относятся к числу твердотельных лазеров, где активной средой служит кристалл или стекло, легированное ионами Yb³⁺. Наиболее часто применяются материалы Yb:YAG (иттербий-легированный алюмо-иттриевый гранат), Yb:KGW (калий-гадолиний-вольфрамат), Yb:KYW и стеклянные волокна с примесями итербия.

Ионы Yb³⁺ обладают упрощённой энергетической схемой: переход лазерной генерации происходит между двумя основными уровнями — основным (²F₇⁄₂) и возбужденным (²F₅⁄₂), что делает итербиевые системы квазидвухуровневыми. Это минимизирует вероятность нежелательных многоуровневых переходов и тепловых потерь, характерных для Nd³⁺-лазеров.

Особенностью Yb³⁺ является отсутствие промежуточных метастабильных уровней, что снижает вероятность накопления энергии на паразитных уровнях и улучшает квантовый выход. Энергетический зазор между рабочими уровнями составляет примерно 10 000 см⁻¹ (или около 1.2 эВ), что делает возможным эффективное возбуждение диодными лазерами с длиной волны около 940–980 нм.

Лазерные переходы и спектральные характеристики

Основная генерация происходит в спектральной области 1000–1100 нм, где Yb³⁺ имеет широкую полосу излучения. Это обеспечивает возможность работы в широком диапазоне длин волн, а также формирование ультракоротких импульсов (менее 100 фс) при применении технологий модуляции добротности или дисперсионной компенсации.

Спектральная ширина перехода Yb³⁺ достигает 10–30 нм, в зависимости от матрицы, что делает эти лазеры пригодными для применения в системах с широкой полосой пропускания и для спектрально селективных применений, включая генерацию суперконтинуума.

Преимущества итербиевых лазеров

• Высокий квантовый выход. Поскольку энергия фотонов накачки и генерации близки, квантовая эффективность может достигать 90% и выше.
• Низкое тепловыделение. Благодаря малой разности между уровнями накачки и генерации, теплообразование минимально, что особенно важно для высокомощных систем.
• Отсутствие паразитного самовозбуждения. Простота энергетической схемы снижает вероятность переходов, ведущих к нежелательной генерации или люминесценции.
• Длительный срок службы. Отсутствие перекрестных переходов (cross-relaxation) между ионами Yb³⁺ увеличивает стабильность активной среды.
• Совместимость с диодной накачкой. Эффективное поглощение вблизи 976 нм позволяет использовать мощные и надёжные полупроводниковые источники накачки.

Типы итербиевых лазеров

1. Итербиевые волоконные лазеры. В основе таких систем лежит активное волокно, легированное ионами Yb³⁺. За счёт высокого соотношения площади поверхности к объёму обеспечивается эффективное охлаждение, что делает возможной генерацию мощностей в десятки киловатт в непрерывном режиме. Типичный диапазон генерации — 1030–1080 нм. Волоконные итербиевые лазеры отличаются высокой добротностью, хорошим качеством луча и компактностью.

2. Итербиевые твердотельные лазеры. Используют кристаллы Yb:YAG, Yb:CaF₂, Yb:KGW и др. Такие лазеры широко применяются в промышленной обработке материалов, медицине, научных исследованиях. Генерация может осуществляться как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Особую популярность приобрели лазеры на Yb:YAG с дисковой геометрией (thin-disk lasers), где кристалл имеет форму тонкой дисковой подложки, обеспечивая эффективный теплоотвод.

3. Ультракороткоимпульсные лазеры на Yb³⁺. Благодаря широкой полосе усиления и высокой стабильности итербиевые среды используются в лазерах фемтосекундного диапазона. Технологии генерации включают синхронную накачку, Kerr-lens mode-locking, а также технологии CPA (chirped pulse amplification) для увеличения пиковой мощности.

Особенности спектроскопии и динамики накачки

Поглощательная способность среды зависит от выбранной матрицы. Например, в Yb:YAG пик поглощения приходится на ~940 и ~976 нм, с наибольшим эффективным поглощением при 976 нм. Спонтанное излучение характеризуется сравнительно узкой полосой (~8–10 нм), тогда как стимулированное излучение может быть шире в неоднородных средах (стеклянных).

Итербиевые лазеры демонстрируют высокую эффективность при однофотонной накачке, но также возможны режимы двухфотонного возбуждения и каскадной генерации, особенно в волоконных конфигурациях. Эффективность усиления зависит от степени инверсии и уровня насыщения среды, а также от геометрии резонатора и параметров накачки.

Проблемы и решения в итербиевых лазерах

• Обратное поглощение. Из-за квазидвухуровневой схемы возможно значительное самопоглощение излучения. Решение — охлаждение среды и оптимизация концентрации ионов.
• Увеличение длины жизни возбуждённого состояния. В некоторых случаях это ведёт к накоплению энергии и нежелательным паразитным эффектам. Решение — использование импульсных режимов или пассивных модуляторов.
• Накопление тепла при высокой мощности. Тепловое линзирование и градиенты могут исказить фронт волны. Эффективный теплоотвод (например, через тонкодисковую геометрию) значительно уменьшает проблему.

Применения и перспективы

Итербиевые лазеры являются ключевым компонентом в современной лазерной технике:

• Микрообработка и прецизионная резка. Высокая стабильность, малая длина волны (по сравнению с CO₂-лазерами) и высокое качество луча делают их идеальными для обработки металлов, керамики и полимеров.
• Медицинская диагностика и терапия. Используются в офтальмологии, дерматологии и хирургии, особенно в системах с ультракороткими импульсами.
• Научные исследования. В системах спектроскопии, генерации вторичных гармоник, фотоники и когерентной комбинации лазеров.
• Лазерная локация и дальнометрия. Компактность и энергоэффективность делают их удобными для портативных систем.

Развитие итербиевых лазеров продолжается в направлении масштабирования мощности, увеличения спектрального диапазона и создания компактных, энергоэффективных источников излучения для интегрированных фотонных систем. Особое внимание уделяется когерентному объединению излучения, разработке новых матричных материалов и гибридных архитектур с использованием нелинейных кристаллов для частотного преобразования.