Основные параметры активных сред, применяемых в кристаллических лазерах

линий в кристаллах являются электронно-колебательные взаимодействия в решетке и наличие иеоднородностей в структуре материала.

Усредненное по времени спектральное распределение излучения имеет обычно колоколообразную форму. Ширина спектра генерации возрастает при увеличении мощности накачки и увеличении ширины линии люминесценции вследствие повышения температуры и увеличения концентрации активатора.

Значительное влияние на спектр генерации оказывают термические эффекты. Величина смещения спектра генерации составляет для рубинового лазера 1,2... 1,5 нм при изменении температуры в интервале 30...350 К, а для лазера на CaFg : Dy+ - 0,2 нм (2 А) (при Т = 20...80 К)-

В лазерах с оптическими затворами ширина спектру меньше, а при использовании спектральных селекторов она может быть сужена с 0,03...0,05 нм до 0,005 нм. Используя оптические затворы пассивного типа, можно значительно сузить спектр генерации (до 0,002 нм без селектора и менее 10-* им с селектором).

Возбуждение кристаллических лазеров производят методом накачки, применение которого связано с определенными потерями, обусловленными тем, что энергия возбуждающих фотонов должна быть больше энергии излучаемых фотонов. Эти потери можно свести к минимуму, если накачку производить монохроматическим светом на частоте, намного превышающей частоту излучения лазера. Существующие в настоящее время источники монохроматического излучения малоэффективны, а набор частот, на которых они работают, ограничен. Поэтому для накачки применяют широкополосные источники излучения.

Спектр поглощения активной среды лазера позволяет использовать только небольшую часть энергии, излучаемой широкополосными источниками, в результате чего снижается к. п. д. преобразования мощности накачки в выходную мощность лазера. Кроме потерь, связанных с источниками накачки, следует учитывать и другие виды потерь. Например, с помощью эллиптической или другой системы отражателей удается собрать на кристалле только 60% мощности, излучаемой лампой накачки.

Предельная мощность, которую можно получить от лазера, рабстающе-в непрерывном режиме, определяется его к. п. д. и плотностью энергии лампы нйкачки. Наибольшая мощность, которая получена от лазера с накачкой 1ектрической дугой, стабилизированной вихревым потоком газа, составляем 200 Вт. Такая мощность достигнута при использовании кристалла иттрий-алюминиевого граната с примесью Nd+. При использовании дуговых HCT04HijK0B накачки появляются определенные конструктивные трудности, поэтому более целесообразным является применение других источников, например ртутных или вольфрамовых ламп, однако мощность излуче-нияпри этом уменьшается. Например, при использовании у лазера (Nd*+:Cr+ в иттрий-алюминиевом гранате) ртутной лампы накачки мощностью 2 кВт выходная мощность составляет всего 10 Вт, а с вольфрамовой лампой накаливания - 15 Вт. Мощность других лазеров (CaFaiDy-b; CaF2:U+), работающих при низких температурах в непрерывном режиме, равна примерно 1 Вт. Значения к. п. п. и мощности излучения лазеров с непрерывным режимом работы приведены в табл. 3.13.

Таблица 3.13

Основные параметры кристаллических лазеров, работающих в непрерывном режиме

Для лазеров, работающих в импульсном режиме, максимальное значение импульсной выходной мощности определяется качеством кристаллической основы активной среды, так как при превышении некоторого уровня мощности кристаллическая решетка претерпевает необратимые изменения.

Имеются рубиновые стержни большого размера, с помощью которых можно получить выходную энергию порядка сотен джоулей, но срок службы таких образцов ограничен н не может быть предсказан заранее. При работе в импульсном режиме с модуляцией добротности оптического резонатора удается получить импульсы мощностью 10* Вт и длительностью 12 не. КПД и мощность излучения кристаллического лазера можно значительно увеличить сенсибилизацией, заключающейся во введении добавочных примесей, которые поглощают излучение лампы накачки более эффективно, чём активные ионы. Другой метод сенсибилизации основан на использовании самого кристалла, который поглощает излучение лампы накачки и передает ее рабочему иону. По такому принципу работает лазер на Ег20з:Ти=+. Согласно опытным данным у лазера на YAlG:Nd+, сенсибилизированного G+, порог генерации уменьшается приблизительно в два раза, а к. п. д. возрастает в три раза.

Распределение излучения кристаллических лазеров в дальней зрне при плоских зеркалах резонатора представляет собой пятно, окруженйое концентрическими кольцами. На центральное пятно приходится наибольшая часть суммарной энергии излучения. Поэтому под величиной углового рас-кождения физл подразумевают угловой размер этого центральнс(го пятна. Он больше дифракционного предела (<рд Х/й, где d - диаметр излучающей поверхности) вследствие большой угловой ширины излучения отдельных типов колебаний.

Угловое расхождение излучения в лазере со стержнями йз неоднородного материала, например рубина, относительно велико (физл =20 - SO). С увеличением длины резонатора фивл уменьшается, но при йтом мощность излучения также уменьшается, а пороговая мощность накачки возрастает.

Анализ экспериментальных результатов по определению углового расхождения излучения лазера на основе неоднородных материалов (рубин) затруднителен, так как эти результаты зависят не только от формы иеоднородностей в используемых кристаллах, но и от индикатрисы рассеяния излучения в последних. Тем не менее, на основании результатов экспериментов! можно сделать некоторые выводы. В частности, величина физл Д'Ля малых длин L резонатора велика и изменяется пропорционально L. При уменьшении углового расхождения вплоть до значений 2фд мощность излучения уменьшается незначительно.

Для кристаллических лазеров, работающих в импульсном или непрерывном режимах, характерным является пичковый режим генерации, наблюдаемый при всех активных средах. Временные характеристики лазер с модуляцией добротности оптического резонатора во многом зависят от параметров затвора. При недостаточной скорости включения затвора может появиться несколько импульсов длительностью 10... 15 не.

Лазеры со стеклянной активной средой появились почти одновременно с кристаллическими. Созданы лазеры на стеклах, активированных трехвалентными ионами неодима, иттербия, эрбия и гольмия. Наиболее часто применяют стекло с примесью трехвалентного неодима, так как оно может эффективно работать при комнатной температуре. Стеклянная матрица обладает рядом специфических свойств. Это-материал, имеющий ысокие оптические свойства и позволяющий в широких пределах варьировать размеры и форму рабочего тела. Лазеры на стекле могут быть выполнены в виде тонких, волокон диаметром несколько микрон, а также в виде круглых стержней диаметром несколько сантиметров и длиной до двух метров. Основной недостаток стекла - его низкая теплопроводность. Поэтому при работе с большой, частотой следования импульсов по крайней мере один из размеров стержней, используемых в лазере, должен быть достаточно малым, чтобы обеспечить, быстрый отзол тепла.

В силу своей природы стеклянная матрица приводит к неоднородному уширению линии люминесценции. Линия иона в стекле шире, чем в кристалле, в результате чего повышается порог генерации. Однако в лазерах с модулированной добротностью это свойство является полезным, так как в-веществе с большой шириной линии при одной и той же инверсии потери из-за усиления спонтанного излучения меньше.

Стекла (с их большими размерами, возможностью управления физическими параметрами и большой шириной линии люминесценции) лучше подходят для генерации импульсов с высокой энергией излучения. Кристаллы по-сравнению со стеклами имеют больший коэффициент электропроводности и мегьшую ширину линии люминесценции, поэтому они более подходят для работы в лазерах непрерывного действия и в импульсных лазерах с высокой частотой повторения импульсов.

В табл. 3.14 приведены основные редкоземельные ионы, на которых получена генерация в стеклах, и соответствующие длины волн излучения. Из этой таблицы следует, что диапазон длин волн на стеклах простирается от 0,92 до 1,85 мкм, но нанбольшеераспространение имеет лазер на ионе Nd-l-с длиной волны излучения 1,06 мкм.