Твердотельные лазеры: вопросы практической реализации оптической накачки, рабочие схемы лазеров.

На рис. 1.11, а показано схематически, как можно реализовать оптическую накачку твердотельного лазера. Здесь 1 — активный элемент, 2 — источник излучения накачки (например, газоразрядная лампа-вспышка), 3 — отражатель для фокусировки излучения накачки на активный элемент,

4 — зеркало оптического резонатора, 5 — лазерное излучение. На рис. 1.11, б показано поперечное сечение лазера; поверхность отражателя является в сечении эллипсом, в фокусах которого находятся активный элемент и источник накачки. На практике могут использоваться отражатели различной формы и конструкции. Так, используется двухламповый отражатель, показанный в поперечном сечении на рис. 1.11, в. Такой отражатель позволяет повысить выходную мощность излучения.

В твердотельном активном элементе различают матрицу (основу) и введенный в матрицу в виде примеси активатор (активный центр). Используются как кристаллические, так и аморфные (стеклянные) матрицы.

В настоящее время эффект индуцированного испускания обнаружен более чем у 250 диэлектрических кристаллов, активированных примесями ионов переходных групп. Наиболее широко представлены так называемые оксидные кристаллы с упорядоченной структурой (например, кристалл

с примесью ионов или кристаллы с примесью ионов Отметим также фторидные кристаллы с упорядоченной структурой (например, кристалл с примесью ионов ).

Эффективность оптической накачки определяется двумя основными факторами. Во-первых, излучение накачки должно эффективно поглощаться активными центрами и в то же время практически совсем не поглощаться в матрице. Во-вторых, должна быть высокой квантовая эффективность накачки: практически все активные центры, переведенные накачкой на уровень возбуждения, должны перейти затем на верхний рабочий уровень. Кроме того, желательно, чтобы были минимальными потери энергии на вспомогательных переходах, например на переходе с уровня возбуждения на верхний рабочий уровень.

Для повышения эффективности оптической накачки стараются использовать в качестве «уровня возбуждения» достаточно широкую энергетическую полосу или группу уровней и обеспечить при этом соответствие частоты перехода (частот переходов) в канале возбуждения максимуму в спектре излучения лампы накачки. Применяют также метод сенсибилизации, заключающийся в добавлении в матрицу наряду с основными (генерирующими) ионами ионов другого типа — ионов-сенсибилизаторов. Ионы-сенсибилизаторы достаточно эффективно поглощают излучение накачки и затем передают поглощенную энергию ионам-активаторам. Другой метод повышения эффективности твердотельных лазеров предполагает использование в качестве кристалла-матрицы не простых соединений, а смешанных разупорядоченных систем (твердых растворов), что приводит к существенному уширению спектра поглощения [20].

Используемые в твердотельных лазерах рабочие схемы достаточно Многообразны (см., например, [14]). Некоторые примеры рабочих схем показаны на рис. 1.12. Цифрами 0, 1, 2, 3 обозначены соответственно уровни: основной, нижний рабочий, верхний рабочий, возбуждения. Наличие у уровня двух цифр указывает на то, что он выполняет две

Рис. 1.12

функции; так, например, уровень с цифрами 0 и 1 является одновременно и основным, и нижним рабочим уровнем. Переходы в канале возбуждения показаны на рисунке двойными стрелками, переходы в канале генерации — обычными прямыми стрелками, безызлучательные переходы — волнистыми стрелками. На рис. 1.12, а представлена обычная трехуровневая рабочая схема, а на рис. 1.12,б — четырехуровневая схема. На рис. 1.12, в приведен пример трехуровневой схемы с использованием ионов-сенсибилизаторов. Схемы на рис. 1.12, г, д называют каскадными [21]. Индуцированное испускание происходит в данном случае одновременно на нескольких переходах (на рисунке на двух переходах). При этом используются переходы между уровнями либо одного и того же иона-активатора (прямая каскадная схема; рис. 1.12, г), либо ионов-активаторов разного типа (каскадная схема с промежуточным актом передачи энергии возбуждения; рис. 1.12, д). Каскадные рабочие схемы интересны, в частности, тем, что позволяют максимально снизить потери, связанные со вспомогательными (безызлучательными) переходами.