Твердотельный лазер – устройство, преобразующее электромагнитное излучение лампы накачки в лазерное излучение. Твердотельными называются, как правило, лазеры, активной средой которых является либо диэлектрический кристалл, либо стекло. Полупроводниковые лазеры выделяются в отдельный класс, поскольку они имеют совсем другие механизмы накачки и генерации. В твердотельных лазерах активными центрами являются, как правило, примесные ионы, введенные в кристалл. Обычно такой ион принадлежит одной из групп переходных элементов Периодической системы элементов Менделеева (например, ионы переходных металлов, особенно Сr³⁺, или ионы редкоземельных элементов, главным образом Nd³⁺ или Еr³⁺). Используемые для генерации переходы включают электронные уровни незаполненных внутренних оболочек. Поэтому такие переходы слабо подвержены влиянию кристаллического поля. Кроме того, эти переходы запрещены в приближении электродипольного взаимодействия. Поэтому время спонтанной релаксации попадает в миллисекундный, а не в наносекундный диапазон, как в случае электродипольно разрешенных переходов. Обе указанные выше особенности приводят к следующим важным последствиям для лазерной генерации. Во-первых, безызлучательные каналы релаксации довольно слабы. Следовательно, время жизни верхнего уровня τ примерно равно спонтанному времени жизни, т. е. оно попадает в миллисекундный диапазон. Поскольку для трехуровевого лазера (такого, как рубин с ионами Сr³⁺ или ионы Еr³⁺ на переходе 1,54 мкм) критическая скорость накачки W_cp равна 1/τ, величина  W_cp оказывается достаточно малой, чтобы обеспечить лазерную генерацию. Во-вторых, ширина линии перехода Δν_о относительно невелика, поскольку механизмы уширения относительно неэффективны. Для четырехуровневого лазера (такого, как на ионах Nd³⁺ или Но³⁺) пороговая скорость накачки W_cp пропорциональна 1/sτ ~ 1/sτ_спонт. Имеем 1/sτ_спонт ~ Δν_о, а небольшая ширина лазерной линии опять же подразумевает низкие значения пороговой скорости накачки.

 

 

 

 

Этот лазер был первым, на котором была осуществлена генерация (Т. X. Майман, июнь 1960 г.) и который все еще находит применение. Рубин, сотни лет известный как природный драгоценный камень, представляет собой кристалл Аl₂0₃ (корунд), в котором ряд ионов Аl³⁺ замещены ионами Сr³⁺. Кристаллы рубина, применяемые в лазерах в качестве активной среды, обычно получают путем выращивания из расплава смеси Аl₂0₃ и небольшой части Сr₂0₃ (~ 0,05 %). Без добавленияСr₂0₃ формирующийся кристалл (сапфир) становится бесцветным, и необходимо добавить совсем немного Сr₂0₃, чтобы криcталл приобрел розовый оттенок (розовый рубин) вследствие наличия у ионов Сr³⁺ зеленой и фиолетовой полос поглощения. Заметим, что в природных драгоценных камнях концентрация Сr³⁺ приблизительно на порядок больше, чем в искусственных, что придает им насыщенную красную окраску (красный рубин).

Энергетические уровни рубина образуются за счет трех электронов во внутренней 3d оболочке иона Сr³⁺, находящихся под действием октаэдрического поля решетки Аl₂0₃. На рис.1 приведены основные уровни, представляющие интерес для лазерной генерации. Используемые здесь обозначения для уровней получаются из теоретико-группового анализа состояний ионов в кристаллах. Достаточно заметить, что верхний индекс слева от каждой буквы указывает на мультиплетность состояния. Так, например, основное состояние ⁴А₂ имеет мультиплетность 2S + 1 = 4, т. е. S = 3/2, где S — суммарное спиновое квантовое число трех Зd-электронов. Отсюда следует, что в данном случае параллельны все спины S этих электронов. Рубин имеет две основные полосы поглощения ⁴F₁ и ⁴F₂, причем наиболее интенсивное поглощение на эти полосы из основного состояния ⁴А₂ происходит на длине волны соответственно 0,55 мкм (зеленая) и 0,42 мкм (фиолетовая). Эти полосы связаны очень быстрой (за время порядка пикосекунд) безызлучательной релаксацией с состоянием как 2A, так и Е, Поскольку эти два последних состояния также связаны друг с другом очень быстрой безызлучательной релаксацией (~ 10^-9 с), то их населенности термализуются, что приводит к более высокой населенности уровня E. Однако время релаксации в основное состояние как уровня 2A, так и E у довольно большое, поскольку, как уже отмечалось, оба перехода запрещены как электродипольно, так и по спину (на переходе между состояниями ²Е и ⁴A₂ происходит изменение суммарного спина).

 

Из проведенного выше рассуждения теперь ясно, что на уровне E накапливается большая доля энергии накачки, и, следовательно, этот уровень хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Действительно, лазерная генерация в рубине имеет место на переходе E → ⁴A₂ (линия R₁) с длиной волны λ₁ = 694,3 нм (красная). Однако следует заметить, что расстояние между 2A и E по частоте (~ 29 см^-1) мало по сравнению с kT/h (~ 208 см^-1), и, следовательно, населенность уровня 2A сравнима с населенностью уровня E или немного меньше ее. Кроме того, мы видим, что можно также получить генерацию и на переходе 2A → ⁴A₂ (линия R₂, λ₂ = 692,8 нм). Усиление на линии R₂ несколько меньше, чем на R₁. Поэтому лазерная генерация на линии R₂ может быть получена с помощью, например, дисперсионных резонаторов. Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме и вместе с лазером на стекле с ионами Еr³⁺ он составляет наиболее примечательный пример трехуровневого лазера. Заметим, что переход R₁ преимущественно однородно уширен при комнатной температуре. При этом уширение обусловлено взаимодействием ионов Сr³⁺ с фононами решетки. Ширина перехода, измеренная на полувысоте, составляет Δν_o = 11 см^-1 при Т = 300 К. Это делает рубин привлекательным материалом для получения генерации коротких импульсов при работе в режиме синхронизации мод.
Рубиновые лазеры обычно работают в импульсном режиме. При этом для накачки используется импульсная ксеноновая лампа среднего давления (~ 500 мм. рт. ст.). Диаметр стержня обычно составляет 5—10 мм, а длина стержня 5—20 см. Рубиновый лазер имеет следующие выходные параметры: 1) в режиме модуляции добротности его мощность в одиночном гигантском импульсе длительностью 10—20 нс составляет 10—50 МВт; 2) в режиме синхронизации мод пиковая мощность в импульсе длительностью ~ 10 пс равна нескольким ГВт. При накачке ртутными лампами высокого давления лазеры на рубине могут работать также и в непрерывном режиме.

Рубиновые лазеры, когда-то очень популярные, теперь применяются менее широко, поскольку они были вытеснены такими конкурентами, как лазеры на основе Nd:YAG или лазеры на стекле с неодимом. Поскольку рубиновый лазер на самом деле работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая энергия накачки приблизительно на порядок превышает соответствующую величину для Nd:YAG лазера таких же размеров. Однако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и технических приложениях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd:YAG-лазером (например, в импульсной голографии, где Nd:YAG нельзя использовать из-за малой чувствительности фотопленки в более длинноволновом диапазоне генерации Nd:YAG-лазера). Стоит также отметить, что в прошлом рубиновые лазеры активно использовались для военных целей при измерении дальности, где этот лазер теперь полностью заменен Nd:YAG-лазером и лазером на стекле с неодимом.

 

На рис.1 представлена упрощенная схема энергетических уровней Nd:YAG. Эти уровни обусловлены переходами трех 4f-электронов внутренней оболочки иона Nd³⁺. Поскольку эти электроны экранируются восемью внешними электронами (5s² и 5p⁶), на упомянутые энергетические уровни кристаллическое поле влияет лишь в незначительной степени. Поэтому спектральные линии, соответствующие рассматриваемым переходам, относительно узки. Уровни энергии обозначаются в соответствии с приближением связи Рассела—Сандерса атомной физики, а символ, характеризующий каждый уровень, имеет вид ^2S+1L_J, где S — суммарное спиновое квантовое число, J — суммарное
квантовое число углового момента, a L — орбитальное квантовое число. Заметим, что разрешенные значения L, а именно L = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ..., обозначаются прописными буквами соответственно S, P, D, F, G, H, I, ... . Таким образом, основное состояние ⁴I_9/2 иона Nd³⁺ соответствует состоянию, при котором 2S + 1 = 4 (т. е. S = 3/2), L = 6 и J = L - S = 9/2. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм соответственно, хотя другие более высоко лежащие полосы поглощения также играют важную роль. Эти полосы связаны быстрой (~ 10^-7 с) безызлучательной релаксацией с уровнем ⁴F_3/2, откуда идет релаксация на нижние уровни. Однако скорость релаксации намного меньше (τ ≈ 0,23 мс), поскольку переход запрещен в приближении электродипольного взаимодействия и поскольку безызлучательпая релаксация идет медленно вследствие большого энергетического зазора между уровнем ⁴F_3/2 и ближайшим к нему нижним уровнем. Это означает, что уровень⁴F_3/2 запасет большую долю энергии накачки и поэтому хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Оказывается, что из различных возможных переходов с уровня ⁴F_3/2 на нижележащие уровни наиболее интенсивным является переход ⁴F_3/2 → I_11/2. Кроме того, уровень ⁴I_11/2 связан быстрой (порядка наносекунд) безызлучательной релаксацией в основное состояние ⁴I_9/2, а разница между энергиями уровней ⁴I_11/2 и ⁴I_9/2 почти на порядок величины больше, чем kT. Отсюда следует, что тепловое равновесие между этими двумя уровнями устанавливается очень быстро и согласно статистике Больцмана уровень 4I_11/2 в хорошем приближении можно считать практически пустым. Таким образом, этот уровень может быть прекрасным кандидатом на роль нижнего лазерного уровня.

Nd:YAG лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В обоих случаях обычно используются линейные лампы в схемах с одноэллипcным осветителем, с близким расположением лампы и кристалла или с многоэллипcным осветителем. Для работы в импульсном и непрерывном режимах применяются соответственно ксеноновые лампы среднего давления (500— 1500 мм. рт. ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4— 6 атм). Размеры стержней обычно такие же, как и у рубинового лазера. Выходные параметры Nd:YAG-лазера оказываются следующими: 1) в непрерывном многомодовом режиме выходная мощность до 200 Вт; 2) в импульсном лазере с большой скоростью повторения импульсов (50 Гц) средняя выходная мощность порядка 500 Вт; 3) в режиме модулированной добротности максимальная выходная мощность до 50 МВт; 4) в режиме синхронизации мод длительность импульса до 20 пс. Как в импульсном, так и в непрерывном режиме дифференциальный КПД составляет около 1—3%.

Nd:YAG-лазеры широко применяются в различных областях, среди которых 1) измерение расстояний (в большинстве лазерных дальномеров для военных целей и прицельных устройств используются Nd:YAG-лазеры); 2) применение в науке (лазеры с модулированной добротностью); 3) обработка материалов (резка, сверление, сварка и т. д.); 4) применение в медицине (фотокоагуляция).