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 (электричество
светлазерное 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.
 |
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.
