8.4.2.  Устройство твердотельного лазера

В твердотельном активном элементе различают матрицу (основу) и введенный в матрицу в виде примеси активатор (активные центры). Используются как кристаллические, так и аморфные (стеклянные) матрицы. В настоящее время эффект вынужденного испускания обнаружен примерно у 300 диэлектрических кристаллов, активированных  примесями ионов переходных групп. Наиболее широко используются так на­зываемые оксидные кристаллы с упорядоченной структурой. К ним относятся, в частности, кристалл окиси алюминия (), активи­рованный ионами хрома (), а также кристалл иттрий-алюминиевого граната (), активированный ионами неодима (). Первый кристалл является активным элементом лазера на руби­не, а второй – лазера на гранате с неодимом. Указанные лазеры являются, пожалуй, наиболее широко применяемыми твердотель­ными лазерами.

Оптическая накачка твердотельного лазера (рис. 8.9) реализуется следующим образом. Источник накачки (например, газоразрядная лампа-вспышка) имеет форму прямого цилиндра и помещает­ся параллельно активному элементу. И лампа накачки, и активный элемент находятся внутри отражателя, отражающая поверх­ность которого представляет собой баковую поверхность цилиндра с основанием в форме эллипса.

Сделаем мысленно сечение пло­скостью, перпендикулярной к оси активного элемента. В этом се­чении (рис. 8.9, б) поверхность отражателя есть эллипс; активный элемент и лампа-вспышка находятся в фокусах эллипса. Известно, что све­товые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллиптической поверхности приходят в другой фокус. В результа­те, накачивающее излучение оказывается максимально сфокуси­рованным на активном элементе. На практике применяют отража­тели разных конструкций. Используется, например, двухламповый отражатель (рис. 8.9, в); по сравнению с одноламповым такой отражатель поз­воляет повысить мощность выходного излучения. В конструкциях твердотельного лазера (см. рис. 8.9, а) роль зеркал оптического резо­натора выполняют специально обработанные торцы активного элемента; в этом случае длина резонатора совпадает с длиной активного элемента.

Благодаря высокой концентрации активных центров энергия коге­рентного излучения твердотельных лазеров оказывается в десятки раз больше, чем у лазеров других типов. Оптическая накачка дает более высокое значение КПД, чем газовый разряд. Высоки эксплуатационные характеристики твердотельных лазеров: температурная и радиационная стойкость, механическая прочность;

Недостатки твердотельных лазеров связаны прежде всего с необхо­димостью оптической накачки. Двойное преобразование энергии (электричествосветлазерное излучение) не позволяет получить высокий КПД. Современные элементы системы оп

тической накачки имеют низ­кую долговечность, что снижает надежность лазера в целом. Принцип накачки твердотельного лазера не позволяет осуществлять внутреннюю модуляцию выходного лазерного излучения.

Подпись:  

Рис. 8.10. Конструкция твердотельного лазера:
 1 – стержень активного вещества; 2 – ИК-диод; 3 – оптическая среда; 4 – теплоотвод; 
5 – фиксирующая оправка

Используются твердотельные лазеры, в конструкции ко­торых элементом накачки служит ИК-диод (рис. 8.10). Переход в системе накачки от осветитель­ной лампы к ИК-диоду позволил существенно уменьшить габариты и повысить КПД. Обычно используются GaAlAs ИК-диоды, имеющие  мкм, которая совпадает с резонансной полосой поглощения лазера. Совпадение частот излучения ИК-диода и резонанса лазера при накачке и приводит к повышению КПД (лампы накаливания имеют размытый спектр излучения, и условие резонанса выполняется лишь для части этого спектра).

Уже отмечалось, что впервые
лазерная ге­нерация была осуществлена на рубине. Благодаря большой меха­нической прочности и теплопроводности кристаллов рубина, воз­можности выращивания кристаллических образцов с высоким оптическим качеством лазеры на рубине до сих пор широко ис­пользуются на практике.