2.4. Характеристика активных веществ наиболее распространенных лазеров

Ниже мы дадим описание некоторых лазерно активных систем, которые часто применяются для генерации и усиления ультракоротких световых импульсов и о которых пойдет речь в следующих главах в связи с различными методами синхронизации мод.

2.4.1. АИГ: Nd-лазер

АИГ: Nd-лазер принадлежит к твердотельным лазерам с оптической накачкой. Лазерно активными веществами служат синтетические кристаллы иттрий-алюминиевого граната содержащие ионы в объемной концентрации, приблизительно равной Более высокие концентрации невозможны вследствие различия в радиусах ионов АИГ-кристаллы имеют кубическую решетку и поэтому являются оптически изотропными. На рис. 2.13, а показана схема уровней энергии иона находящегося в электрическом поле кристалла. Из левой части рис. 2.13, а видно, что схема относится к четырехуровневому лазеру.

Уровни играют роль верхнего и нижнего лазерных уровней. Выше уровня расположена целая последовательность уровней накачки или полос накачки, с которых возбужденные ионы благодаря взаимодействию с решеткой быстро переходят на верхний лазерный уровень. Нижний лазерный уровень находится выше основного уровня на величину энергии, которая много больше Поэтому при тепловом равновесии этот уровень почти не заселен. Уровни и расщепляются в кристаллическом поле, вследствие чего становятся возможными многие переходы, показанные в правой части рис. 2.13. (Соответствующие расщепления других уровней не показаны.) Наиболее интенсивный переход наблюдается при 1,0641 мкм. Поперечное сечение этого перехода равно

Рис. 2.13. (см. скан) Лазерно активные переходы в кристалле АИГ : Nd. а — схема энергетических уровней; б - зависимость интенсивности люминесценции (в произвольных единицах) от длины волны.

излучательное время жизни верхнего уровня равно и выход люминесценции равен 0,995. При комнатной температуре переходы однородно уширены в результате взаимодействия с колебаниями решетки. Вследствие регулярности структуры кристалла неоднородное уширение пренебрежимо мало, тогда как в системах на неодимовых стеклах оно является доминирующим. Главный лазерный переход имеет ширину линии Для накачки -лазера наиболее подходит криптоновая дуговая лампа, поскольку ее полосы излучения хорошо согласуются с уровнями накачки. На рис. 2.14 представлена схема накачки. Накачка осуществляется в двойном эллиптическом отражателе, изготовленном из материала с высоким коэффициентом отражения. Цилиндрический АИГ-стержень находится на общей фокальной линии. Обе

криптоновые лампы помещаются на двух других фокальных линиях. Для охлаждения системы стержень и лампы омываются потоком воды. В связи с хорошей теплопроводностью материала и его релаксационными свойствами, а также благодаря эффективному охлаждению АИГ-лазер может работать в режиме высоких мощностей излучения в непрерывном режиме или с высокими частотами следования импульсов (приблизительно до 100 Гц) и с энергиями в импульсе от 0,1 до 1 Дж.

Рис. 2.14. Установка для накачки с двойным эллиптическим отражателем. 1 — лампы; 2 - АИГ : Nd-стержень; 3 — отражатель; 4 — водяное охлаждение.

Кристалл АИГ имеет высокий показатель преломления Поэтому на концевых поверхностях происходит довольно сильное френелевское отражение лазерного излучения. Его можно существенно уменьшить путем диэлектрического просветления или посредством скашивания стержней под углом Брюстера. Однако часто с этими потерями приходится мириться, что допустимо благодаря большому усилению в веществе. Но тогда необходимо концевые поверхности отполировать под малым углом наклона друг относительно друга (по меньшей мере около 1°), чтобы они не образовали лазерный резонатор или вторичный резонатор внутри главного резонатора.

Для генерации ультракоротких световых импульсов с помощью АИГ: Nd-лазера успешно применяются различные методы. Для лазера с непрерывной накачкой применяется преимущественно метод активной синхронизации мод с использованием акустооптических или электрооптических модуляторов (см. гл. 4). В случае АИГ: Nd-лазера с импульсной накачкой чаще всего с помощью пассивной синхронизации создается такой режим, при котором лазер испускает цуг ультракоротких импульсов (см. гл. 7).

АИГ: Nd-лазеры в непрерывном и импульсном режимах часто служат источниками света для генерации высших гармоник, а также для параметрической генерации (см. гл. 8).