Активные элементы из неодимового стекла

Основным преимуществом неодимового стекла является его высокая оптическая однородность, в результате чего длина активных элементов может достигать 2 м, а расходимость излучения еще незначительно превосходит дифракционный предел. Кроме того, неодимовые лазеры имеют больший КПД (1…3% в стандартных лазерах, предел ~10%) по сравнению с рубиновыми гораздо меньшую стоимость (стеклянные активные элементы лазеров получают обычными для производства и обрабртки оптического стекла технологическими приемами) и несколько большую удельную энергию (1-10 Дж/см³) генерации. Последняя достигается за счет большей концентрации рабочих ионов Nd⁺³ см^-3, время жизни которых на порядок меньше (250…480 мкс).

Основным недостатком неодимового стекла является его низкая теплопроводность ~1 ; в результате этого стеклянные активные элементы эффективно работают только в режиме одиночных вспышек. Из-за большого ТКЛР ~10^-5 К^-1 и значительной хрупкости стандартные активные стержни Ф10х130 мм ломаются уже при разности температур 35-93⁰С. Использование жидкостного охлаждения оказывается неэффективным.

Повысить ресурс работы стеклянных активных элементов можно фильтрацией УФ излучения ламп вспышек, используемых в системах оптической накачки, в противном случае генерируемая энергия свободной генерации уменьшается на 30…45% после 500 импульсов.

Большинство неодимовых стекол обладают высоким значением термооптической постоянной , что в условиях низкой теплопроводности приводит к резкому увеличению расходимости излучения после первой вспышки из-за неравномерного нагрева активного элемента. Однако специально разработанные неодимовые стекла на фосфатной основе (ГЛС-21, ГЛС-22) имеют на порядок меньшее значение термооптической постоянной и практически не увеличивают расходимость лазерного луча.

Номенклатура стандартных стержней отличается формой поперечного сечения (Ц- цилиндрические, П- прямоугольные) и углом наклона параллельных друг к другу торцев (90⁰- перпендикулярно стержню, под небольшим углом 2…5⁰, Б- под углом Брюстера). Так, круглый стержень диаметром 8 мм и длиной 100 мм с нормальными торцами обозначается ЭНЦ-90 (Ф 8х100). Круглые стержни из неодимового стекла выпускаются серийно диаметрами Ф5-60 мм и длиной 80…1200 мм. “Нормальные” торцы параллельны друг другу не хуже 10”, а брюстеровские и скошенные – не хуже 2’.

Для получения очень большой энергии импульса при сравнительно высоком пороге излучения (~10²Дж/см² для гигантского импульса ~10¹МВт/см² в режиме свободной генерации) используются специально изготовленные стержни длиной до 2 м при размерах поперечного сечения 8х30 см и установленные под углом Брюстера к оптической оси резонатора диски диаметром до 70 см и толщиной до 6 см. Порог объемного разрушения велик (~10³ Дж/см²) и его следует учитывать лишь из-за возможности возникновения “самофорасфрокусировки” при плотностях энергии ~10² Дж/см².

При использовании длинных активных элементов из неодимового стекла надо иметь ввиду потери из-за поглощения и светорассеяния. Если в лучших стеклах, за счет специальных технологических мер, эти потери не превышают 0,001 см^-1, то в обычных коммерческих марках (ОСТ-3-3993-77) они составляют 0,02…0,05 см^-1 . Для приближенного определения коэффициента усиления неодимового стекла удобно использовать значение константы усиления . При типичной плотности энергии накачки . Такой низкий коэффициент усиления при большом (~10²⁰см^-3) количестве активных центров Nd получается из-за большого (~30 нм 200см^-1) неоднородного уширения спектральной линии рабочего перехода . В свою очередь, неоднородное уширение возникает в результате неоднородности местных электрических полей аморфной матрицы стекла, в которой каждый ион Nd расположен в произвольном месте. Это приводит к неравномерности проявления эффекта Штарка и, как следствие, к сильному неоднородному уширению. Однако отрицательную роль это уширение играет лишь при генерации гигантских одночастотных импульсов, но оно весьма благоприятно для генерации сверхкоротких пикосекундных импульсов.