Неодимовый лазер. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Неодимовый лазер - лазер ,генерирующий оптич. излучение за счёт квантовых переходов между энергетич. состояниями трёхвалентных ионов Nd³⁺, помещённых в конденсиров. среду (матрицу), напр. ди-электрич. кристаллы и стёкла, полупроводники, металле органич. или неорганич. жидкости. Концентрация Nd³⁺, вводимых в матрицу, ограничена эффектом кон-центрац. тушения люминесценции и обычно ~ 1-3 х x 10²⁰ см^-3. В нек-рых кристаллах и стёклах этот эффект ослаблен и концентрация ~10²¹ см^-3. Наиб. перспективны фосфатные и силикатные стёкла (см. Лазерные стёкла), кристаллы иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) и гадолиний-скандий-галлиевого граната (ГСГГ). Ионы Nd³⁺ - наиб. распространённые рабочие частицы твердотельных лазеров. Они легко активируют мн. матрицы. Накачка переводит ионы Nd³⁺ из осн. состояния ⁴I_9/2 в неск. относительно узких полос, играющих роль верх. уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбуждённых состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки осуществляется быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень ⁴F_3/2 (рис. 1). Время жизни этого уровня составляет 0,2 мс в ИАГ и 0,7 мс в стекле. Наиб. вероятностью обладает лазерный переход ⁴F_3/2

⁴I_11/2 (l = 1,06 мкм).

Энергетическая щель между состояниями ⁴I_11/2 и ⁴I_9/2, равная 2000 см^-1, обеспечивает четырёхуровневый характер генерации Н. л. Чем ближе к уровню ⁴F_3/2 расположены полосы поглощения, тем выше кпд генерации.

Рис. 1. Уровни энергии иона неодима. В стёклах из-за неоднородности локальных электростатич. полей линия люминесценции 1,06 мкм сильно уширена (до Dl

30 нм; неоднородное уширение). В кристаллах ИАГ однородное уширение составляет примерно 0,7 ам. Сильное неоднородное уширение приводит к тому, что неодимовое стекло имеет меньшее усиление, а соответствующие лазеры -более богатую мо-довую структуру, чем гранат, активированный неодимом. Вместе с тем стекло допускает большее (до 6%) введение активных центров. В литий-лантан-фосфатных стёклах допустимо почти полное замещение лития неодимом, приводящее к концентрации ионов Nd³⁺, превышающей (2-3)•10²¹ см^-3. Кристаллы ИАГ активируются до концентрации 1,5% в стехиометрич. замещении иона Y³⁺ на Nd³⁺.

Обычно области применения Н. л. на гранате и стекле существенно различны. В силу большей теплопроводности и однородности гранатовые лазеры легко работают в непрерывном и импульсно-периодич. режимах. Достигнуты ср. мощности ~10² Вт. Неодимовое стекло в силу больших объёмов и более высокой концентрации активатора хорошо накапливает энергию. Поэтому именно стекло служит активной средой импульсных лазеров высокой энергии. Достигнуты значения импульсной энергии в десятки кДж.

В случаях, когда существенно высокое качество излучения, используется схема задающий генератор - усилитель мощности. В этой схеме задающим генератором является часто гранатовый лазер, а усилителем мощности (или конечным каскадом усиления мощности) - лазер на неодимовом стекле.

Н. л. работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей 0,5 пс. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стёкол.

При создании Н. л. реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к т. н. свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки, широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.

В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1 -10 мс, энергия излучения в схемах усиления мощности достигает многих кДж. Характерная длительность импульсов включаемой добротности составляет ок. 10 нc при использовании для модуляции добротности эл--оптич. устройств. На рис. 2 приведена схема Н. л. с модулиров. добротностью. Характерная энергия лазерного генератора такого типа составляет ~1-2 Дж.

Рис. 2. Схема лазера с модулированной добротностью: 1 - лампа накачки; 2 - активный стержень; 3 - модулятор (призма Глана и ячейка Поккельса); 4 - глухое зеркало; 5 - частично прозрачное выходное зеркало.

Рис. 3. Схема лазера с само синхронизацией мод ( обозначения те же, что и на рис. 2). Насыщающийся фильтр 6 расположен около глухого зеркала 4.

Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющих фильтров как для модуляции добротности (0,1-10 нс), так и для синхронизации мод (1-10 пс). Схема лазера с самосинхронизацией мод для . генерации импульсов пикосекундной длительности с помощью насыщающегося фильтра приведена на рис. 3. Для того чтобы резонатор лазера обладал только одним чётко выраженным периодом межмодовых биений, грани оптич. элементов этой схемы слегка отклонены от нормали к оптич. оси резонатора, а входной и выходной торцы активного элемента расположены под углом Брюстера к этой оси. Длины волн излучения Н. л. l = 1,8; 1,3; 1,06; 0.9 мкм. Области применения Н. л.: технология, медицина, метеорология, дальнометрия, лазерный термоядерный синтез, физ. исследования.

Литература по неодимовым лазерам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.