4.3 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 , согласно условию h = E₂-Е₁ вызывает вынужденные переходы с уровней Е₂ на уровни Е₁. Излучение имеет длину волны соответствующую красному свету ( = 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 (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.