Лазеры на основе кристаллических диэлектриков

Помимо полупроводниковых известны твердотельные лазеры на основе диэлектриков. Обычно эти устройства используют внутрицентровую люминесценцию, а возбуждение происходит не электрическим, а оптическим способом. Разновидности и параметры твердотельных лазеров иллюстрирует рис. 4.3.

Рис. 4.3. Разновидности и параметры твердотельных лазеров

В 1960 году Т. Мейман описал лазер на основе рубина. Кристалл Al₂O₃ содержит примеси хрома в виде ионов Cr³⁺. При этом небольшая часть атомов алюминия (0,05%) замещается атомами хрома.

Уровни хрома располагаются в пределах широкой запрещенной зоны Al₂O₃ (E_G » 6 эВ). Процессы поглощения энергии и излучения происходят внутри этих центров свечения, что иллюстрирует рис. 4.4.

Свет мощной ксеноновой лампы переводит электроны с основного уровня Е₁ на возбужденные уровни Е₃ и Е₄, образующие две широкие полосы. Примерно через 10 нсек электроны падают на уровень Е₂, называемый метастабильным. Здесь они могут находиться, примерно, 10^-3 с. Разница энергий Е₃-Е₂ превращается в теплоту.

На уровнях Е₂ происходит накопление электронов и создается инверсная населенность по отношению к уровню Е₁.

Рис. 4.4. Схема уровней рубинового лазера

Свет с частотой n, согласно условию hn = E₂-Е₁ вызывает вынужденные переходы с уровней Е₂ на уровни Е₁. Излучение имеет длину волны соответствующую красному свету (l = 0,69 мкм).

Конструкция твердотельного лазера изображена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Конструкция твердотельного лазера: 1 – стержень активного вещества, 2 – инфракрасный светодиод, 3 – оптическая среда, 4 – теплоотвод, 5 – фиксирующая оправка

Кристалл рубина имеет вид цилиндра диаметром около 1 см и длиной около 10 см. Торцы кристалла отшлифованы и выполняют функции зеркал. Усиление и излучение света происходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.

Для миниатюрных оптоэлектронных устройств лучше подходит лазер на основе кристаллов иттриево-алюминиевого граната YAG. В эти кристаллы добавляются примеси неодима (Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺). Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия. Лазер излучает инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм. Для возбуждения можно использовать инфракрасные светодиоды из GaAlAs (l»0,81 мкм), соответствующей полосе поглощения неодима. Благодаря высокой концентрации центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт).

Лазер имеет малые размеры (длина резонатора около 1 см). КПД YAG лазеров составляет (1÷20) %.

При правильном выборе спектра элемента накачки достигается 50% использование оптической энергии.

Основной режим работы твердотельных лазеров – импульсный. Для них характерны большая мощность одиночного импульса, невысокая когерентность излучения. Многие из них нуждаются в охлаждении активного элемента и элемента накачки.

Улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения (когерентности, монохроматичности, направленности) достигается за счет перехода к одномодовому режиму генерации и уменьшения энергетического КПД.

Жидкостные лазеры

Интерес к жидкостным лазерам обусловлен: легкостью получения активной среды, возможностью прокачки жидкости и обусловленную этим легкость создания системы охлаждения, возможностью плавной перестройки частоты и т. п. Разновидности и параметры жидкостных лазеров иллюстрирует рис. 4.6.

Рис. 4.6. Разновидности и параметры жидкокристаллических лазеров

Широкое применение имеют лазеры на органических красителях (Dye - Lasers). Различные красители допускают перестройку длины волны генерации в диапазоне нескольких десятков нанометров при высокой монохроматичности, достигающего 1 МГц. Лазеры на органических красителях в непрерывном, импульсном и импульсно – периодическом режимах. Энергия одного импульса может достигать сотен джоулей, а мощность непрерывной генерации десятков Ватт при КПД в несколько десятков % при лазерной накачке. В режиме синхронизации мод могут быть получены лазерные импульсы длительностью десятых долей пикосекунды. Устройство жидкостного лазера иллюстрировано на рис. 4.7.

Активным веществом лазеров на красителях служат растворы молекул органических красителей в органических растворителях, или в воде. Красителями являются сложные органические соединения с разветвленной системой сопряженных химических связей. Эти соединения обладают выраженной окраской, что вызвано наличием сильных полос поглощения в видимой области спектра. Структура молекулы красителя сложна. Она содержит бензольные (С₆Н₆), передоновые (С₆Н₅N), азотные (С₄Н₄N₂) и другие кольца. В лазерной технике широко применяются красители на основе родамина 6G.

Рис. 4.7. Устройство жидкостного лазера

Структурная формула органического красителя родамин 6G приведена на рис..Структурная формула органического красителя родамин 6G приведена на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Структурная формула органического красителя родамин 6G

Такая макромолекула обладает богатым набором разрешенных значений энергии электронных, колебательных и вращательных состояний. Энергетические расстояния между этими состояниями имеют порядок (1÷3)эВ, (0,1÷0,01) эВ и (10^-3÷10^-4) эВ, соответственно. Колебательные и вращательные состояния перекрываются друг с другом, образуя серии разрешенных энергетических полос, соответствующих определенным электронным состояниям.

Эти состояния можно разбить на две группы: синглетные (S) и триплетные (Т) состояния (см. рис. 4.9) к первой группе относится состояние с антипараллельной ориентацией спинов (S = 0), а ко второй – с параллельной (S = 1) ориентацией.

Рис. 4.9. Электронные состояния жидкостного лазера

Каждое электронное состояние сопровождается серией колебательных уровней (выделенных жирными линиями) и серией вращательных уровней. Согласно правилам отбора по спинам оптические переходы разрешены между состояниями с одинаковой мультиплетностью (DS = 0) т.е. переходы S – S (синглет – синглетные) и Т – Т (триплет – триплетные). Они имеют наибольшую вероятность.

При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии S₀. В результате поглощения оптического излучения молекула переходит из основного состояния S₀ на один из колебательно – вращательных уровней S₁. Спектр поглощения, определяемый такими переходами представляет широкую полосу. Спектральное положение максимума полосы поглощения определяет цвет красителя, и для разных веществ изменяется примерно от 0,3 до 1 мкм. Ширина полосы поглощения также различна для разных красителей, и примерно равна 0,2 эВ.

Падая в результате оптического перехода S₀ → S₁ в одно из возбужденных состояний полосы S₁, молекула в результате релаксационных безызлучательных процессов по колебательно – вращательным подуровням внутри состояния S₁ переходит на нижние уровни группы S₁. Этот процесс термализации происходит очень быстро, за время порядка 1 пс. Термализованные носители из состояния S₁ излучательно или безызлучательно переходят в основное состояние S₀. У небольшого количества известных красителей излучательные процессы преобладают над безызлучательными. Излучательное время жизни для переходов S₁ → S₀ мало и составляет примерно 1 нс.

При интенсивной оптической накачке между нижними состояниями полосы S₁ и верхними S₀ может быть достигнута инверсия населенностей. Генерация осуществляется по четырехуровневой схеме между энергетическими состояниями полос S₁ и S₀. Триплетные состояния Т₁ и Т₂ не участвуют в процессе лазерной генерации, а, напротив, препятствует ей.

Наибольший интерес представляет лазер на органическом красителе, используемый как генератор с перестраиваемой длиной волны. Для осуществления этой возможности применяют дисперсионный резонатор, собственную частоту которого можно перестраивать. Идеальный вариант – одномодовый одночастотный резонатор.

Вероятность оптических переходов S₀ → S₁ с красителем весьма высока, показатель поглощения и показатель усиления для этих веществ могут быть очень велики. Они примерно на два порядка превышают показатель усиления малого сигнала для твердотельных лазеров на граните и рубине. Лазеры на красителях, обладая высоким коэффициентом усиления, требуют небольшого объема активной среды (1 мм³).

Поглощение интенсивного излучения накачки и последующий нагрев малого объема красителя приводит к необходимости быстрой непрерывной замены вещества в рабочем объеме. Если этого не делать, произойдет термическое разложение красителя, а также накопление молекул в триплетном состоянии Т₁ и срыв генерации.

Применяя набор различных красителей, жидкостные лазеры перекрывают диапазон дин волн от 0,34 мкм до 1,17 мкм. КПД современных лазеров на органических красителях достигает 30 % при накачке лазерным излучением, и 1 % при накачке импульсными лампами.

В непрерывном режиме выходная мощность рассматриваемых лазеров достигает десятка Ватт, в импульсных режимах мощность может достигать от десятка ватт до нескольких МВт при длительности импульса 20 нс и частоте повторения до 200 Гц, расходимость лазерного пучка составляет (2 ÷2,5) мрад.

В режиме синхронизации мод возможна генерация очень коротких световых импульсов (3∙10^-14 с).

Газовые лазеры

Газовый лазер – общее название лазеров с газообразной лазерной средой. Существует множество видов таких лазеров. Они очень удобны в работе, поэтому большинство из них коммерческие. Разновидности и параметры газовых лазеров иллюстрирует рис. 4.10.

Рис. 4.10. Разновидности и параметры газовых лазеров

Лазеры на благородных газах генерируют с помощью энергетических уровней газов, подобных гелию. В гелий-неоновом лазере (в соответствии с рис. 4.11) для генерации увеличивают энергию части атомов неона, возбуждая газовую смесь тлеющим разрядом. Гелий добавлен в смесь для облегчения возбуждения. Атомы неона имеют более 120 спектральных линий – от 0,594 мкм в видимой до 133 мкм в инфракрасной области спектра. Коммерческие лазеры дают спектральную линию 0,6328 мкм и выходную мощность от одного до нескольких десятков милливатт. Они широко распространены.

Рис. 4.11. Гелий-неоновый лазер

Ионный лазеросуществляет генерацию возбуждением рабочего тела до уровня ионизации. Ионные лазеры на инертных газах (аргон, криптон или ксенон) могут давать непрерывное излучение в видимом диапазоне с высокой выходной мощностью. Обычно у коммерческих лазеров на аргоне две мощные линии – 0,4880 мкм (синяя) и 0,5145 мкм (зеленая). Мощность каждой из них несколько ватт. Для возбуждения применяют дуговой разряд, имеющий высокую плотность и малое напряжение. У таких лазеров КПД мал, примерно 0,1 %, источник питания больших размеров. Лазерная трубка должна выдерживать разряды с большой силой тока, что увеличивает ее цену.

Лазеры на металлических ионахработают за счет ионного возбуждения, возникающего в положительной колонне разряда смеси газа – гелия или неона – с парами металла. Используют такие металлы, как кадмий, цинк, селен, теллур, ртуть. В частности, коммерческий гелий-кадмиевый лазер имеет спектральные линии, 0,3250 мкм (ультрафиолетовая) и 0,4416 мкм (зеленая).

Молекулярные лазеры работают за счет вращательной и колебательной энергии молекул. Лазер на углекислом газе излучает в инфракрасной области - 10,6 и 9,6 мкм. У него высокий КПД, составляющий несколько десятков процентов, и высокая выходная мощность. Производят различные модификации таких лазеров. Для их возбуждения используют химические реакции или электрический разряд. Чтобы получить высокую выходную мощность, поток газа разгоняют до высоких скоростей, или производят поперечное возбуждение, или осуществляют разряд, управляемый электронными пучками. Лазер на угарном газе излучает на линии 5 мкм и имеет высокий КПД – свыше 40 %. Импульсный лазер на азоте дает излучение в ультрафиолетовой области (0,3371 мкм) с мощностью от нескольких сотен киловатт до единиц мегаватт.

К газовым лазерам относятся также и эксимерные лазеры.