§ 2. ОПТИЧЕСКАЯ НАКАЧКА И ВЫНУЖДЕННОЕ ИСПУСКАНИЕ

Уровень иона неодима расположен относительно высоко над основным уровнем. Разность составляет около Значение фактора при комнатной температуре равно С помощью выражения

получаем соотношение между энергией в и эргах:

Разность эквивалентна Следовательно,

Принимая больцмановское распределение по уровням, находим

Это означает, что при комнатной температуре уровень практически пуст.

Действие лазера можно тогда представить следующим образом. С помощью мощной вспышки лампы накачки ион неодима возбуждается и переходит на уширенный уровень 4 (см. рис. 6.2). Время жизни иона в состоянии 4 очень мало. Происходит переход типа 43. Уровень 3 является метастабильным (т. е. характеризуется сравнительно продолжительным временем жизни). Инверсная населенность в системе достигается необычно легко, поскольку конечный уровень не является основным и практически не заселен.

Первый неодимовый лазер создал Снитцер [3] в США. Химический состав примененного им стекла был таков: и активатор — от 1 до Плотность стекла составляла а показатель преломления Активированное стекло обладает очень высоким поглощением вблизи 5800 А.

Большой интерес представляли первые попытки получения лазерной генерации. Существовало опасение, что из-за сильного поглощения излучения накачки лазерный элемент не может иметь диаметр более нескольких микрометров; поэтому Снитцер исследовал тонкие волокна (нити) неодимового стекла диаметром в несколько микрометров в оболочке из стекла с показателем преломления Длина нитей была от нескольких сантиметров до десятков сантиметров. Порог возбуждения лазерной генерации оказался поразительно низким и равнялся нескольким джоулям (напомним, что в рубиновом лазере он составляет несколько сотен джоулей). Нити помещали в сосуд Дьюара и охлаждали до температуры жидкого азота. Поскольку нить ведет себя как световод, не было необходимости в ее выпрямлении или полировке торцов. Усиление света в результате вынужденного испускания наблюдалось в виде сильного свечения концов волокон (нитей). При переходе типа генерировалось излучение с длиной волны 1,06 мкм.

Через несколько лет после пионерских экспериментов Снитцера импульсные лампы были настолько усовершенствованы, что появилась возможность успешно возбуждать стержни из неодимового стекла диаметром 5 см. Ныне лазер на неодимовом стекле — один из наиболее распространенных, он применяется для генерации

импульсов с очень большими энергиями (около 1000 Дж), а также в системах получения высокотемпературной плазмы (см. гл. 30).

Хотя в данной книге не было возможности отразить чрезвычайно интересные достижения в области интегральной оптики, упомянем о возможностях применения стекол с примесью Nd3+ (или стехиометрических материалов — см. § 3 этой главы) для изготовления активных тонкопленочных волноводов. Например, Чен и Танг [5] получили тонкие пленки стекла, активированного неодимом, очень высокого оптического качества и с чрезвычайно малыми потерями — до Усиление оптических сигналов на длине волны 1,06 мкм составляло Эти тонкие пленки были получены напылением неодимового стекла на подложку из пирекса с помощью токов высокой частоты, причем длительность флюоресценции уменьшилась с для стекла в блоке всего лишь до для тонкой пленки.

Среди твердотельных лазеров с использованием ионов редкоземельных элементов следует еще упомянуть лазер на с примесью самария Этот кристалл обладает сильным поглощением в полосе 6320 А; он имеет зеленую окраску. Лазерная генерация возбуждается на длине волны 7082 А (глубокий красный цвет).

В последние годы одним из важнейших типов лазеров стали импульсные и непрерывные лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с примесью Мы будем обозначать его сокращенно YAG : Nd3+. Он был создан в группе под руководством Гейсица [6]. На фирме «Корад департмент» в США уже в 1969 г. был создан непрерывный лазер на иттрий-алюминиевом гранате с выходной мощностью В настоящее время создаются лазеры на YAG : Nd3+ с выходной мощностью порядка киловатта [7]. Если внутри оптического резонатора этого лазера поместить нелинейный кристалл, например ниобат лития или очень популярный кристалл «банан» — (нелинейные явления будут рассмотрены в гл. 17), то исходное излучение с длиной волныо 1,06 мкм эффективно преобразуется во вторую гармонику . В этом случае лазер генерирует зеленое излучение с мощностью от нескольких сотен милливатт до одного ватта.

В табл. 6.2 представлены типичные параметры лазера на Его кристалл эффективно поглощает излучение в полосе от 5000 до 8100 А. Время жизни иона на метастабильном лазерном уровне (см. рис. 6.2), составляет а квантовый выход флюоресценции близок к единице. Эффективное поперечное сечение лазерного перехода равно (при комнатной температуре). Кристалл YAG : Nd3+ обладает хорошими механическими свойствами, высокой теплопроводностью и совершенной кристаллической структурой. Его получают методом Чохральского (медленным вытягиванием кристаллического стержня из расплава). В табл. 6.3

Таблица 6.2. Важнейшие параметры лазера на иттрий-алюминиевом гранате (фирмы «Корад», США)

приведены основные параметры кристалла YAG : Nd3+. Его кристаллическое поле имеет приблизительно тетрагональную симметрию. Читателям, желающим подробнее ознакомиться со свойствами этого кристалла, рекомендуем обширные теоретические и экспериментальные работы Конингстайна и Гейсица [8] и Нееланда и Евтухова [9].

Следует также обратить внимание на относительную доступность источников накачки для лазера на YAG : Nd3+. Ими могут быть линейные лампы накаливания, вольфрамо-иодные или мощные ксеноновые дуговые лампы. Две линейные лампы длиной от 5 до 10 см, мощностью каждая способны поддерживать непрерывную лазерную генерацию в Добавка иода в лампу заставляет пары вольфрама оседать обратно на нить, при этом стеклянный (или кварцевый) баллон сохраняет первоначальную прозрачность.

Таблица 6.3. Свойства кристалла граната

Рис. 6.3. Схема типичной двухэллиптической головки лазера на

На рис. 6.3 показана типичная двухэллиптическая головка лазера на YAG : Nd3+. Отражатель и активный элемент интенсивно охлаждаются водой. исследовал эффективность возбуждения лазера на YAG : Nd3+ лампами: ксеноновой, криптоновой и вольфрамо-иод-ной. Его результаты показаны на рис. 6.4. Криптоновая лампа с водяным охлаждением почти в два раза эффективнее ксеноновой или вольфрамо-иодной. Однако во многих лазерах на используют лампы накаливания с вольфрамовой нитью ввиду их относительно невысокой стоимости.

Рис. 6.4. КПД оптической накачки лазера на YAG : Nd3+ тремя часто используемыми источниками: криптоновой и ксеноновой лампами и вольфрамоиодной лампой накаливания [10].

Рис. 6.5. Оптическая накачка лазера на YAG : Nd3+ с помощью светодиода в эксперименте Остермайера [15].

Иногда [11, 12] для накачки лазера применяют некогерентное излучение полупроводниковых люминесцентных светодиодов, например, на

Видимое и инфракрасное излучения весьма эффективно возбуждают лазерный уровень в кристалле YAG : Nd3+. Наиболее интенсивной линии поглощения соответствует длина волны (переход ) Светодиод, работающий при температуре жидкого азота и потребляющий мощность около обеспечивает переход порога возбуждения лазерной генерации в YAG : Nd3+. При этом лазер испускает пучок когерентного излучения с длиной волны 1,0641 мкм и мощностью 40 мВт. Люминесцентный полупроводниковый диод допускает температурную перестройку, так что максимум его излучения можно совместить с максимальным поглощением YAG : Nd3+. Поэтому КПД источника накачки максимален.

В последнее время оптическая накачка небольших стержней YAG : Nd3+ часто осуществляется через один или два торца с помощью суперлюминесцентных диодов [13, 14]. Суперлюминесцентный диод представляет собой р - n-переход, работающий в условиях вынужденного испускания, но без оптической обратной связи. Такой диод обладает более высокой спектральной плотностью излучения и меньшей расходимостью пучка, чем обычный светодиод, и поэтому лучше приспособлен для оптической накачки, особенно в миниатюрных системах. Авторы работ [13, 14] сконструировали суперлюминесцентный диод в виде узкой полоски шириной 20 мкм и длиной 1,4 мм и мощностью на длине волны Небольшой лазер на YAG : Nd3+ при возбуждении этим диодом генерировал излучение мощностью в импульсе длительностью или в непрерывном режиме.

В эксперименте Остермейера [15] излучение светодиода направлялось на торец стержня из YAG : Nd3+ с помощью полусферического рефлектора (рис. 6.5). Сила тока через диод составляла 250 мА. При комнатной температуре лазер излучал многомодовый пучок мощностью 0,25 мВт.

Упомянем также о возможности работы лазера на YAG : Nd3+ на длине волны мкм. Эффективное поперечное сечение Для этого перехода в 14 раз меньше, чем для наиболее известного перехода с излучением на длине волны 1,06 мкм (см., например, [16]).

Иногда вместо иттрий-алюминиевого граната с химическим составом используют ортоалюминат иттрия с химическим составом Он также представляет собой прекрасную активную среду, если в процессе выращивания в него вводятся примесные ионы редкоземельных элементов (например, Nd3+) (табл. 6.4).

В заключение следует также отметить получение группой Эстеровича [17] лазерной генерации в голубой области спектра на кристалле при комнатной температуре. Это пока самый коротковолновый твердотельный лазер. С помощью твердотельных лазеров получают и более коротковолновое излучение, но не непосредственно. Излучение твердотельного лазера (например, рубинового, на неодимовом стекле или направляют на нелинейный кристалл с целью умножения частоты. Лазер Эстеровича генерировал нм при переходе Оптическая накачка кристалла осуществлялась перестраиваемым лазером на красителе на длине волны 444 нм (накачка вызывала переход из основного состояния Порог генерации составлял что соответствовало плотности энергии накачки

Таблица 6.4 (см. скан) Важнейшие лазерные активные среды, содержащие ионы редкоземельных элементов