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.

В 1960 г. Т. Мейман описал лазер на ос­нове рубина. Кристалл АI₂Оз 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 АI₂Оз (∆W ~ 6 эВ). Процессы поглощения энергии и излучения происходят внутри этих центров свечения (рис. 4.7).

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

На уровнях Е₂ происходит накопление электронов и создается инверсная населен­ность по отношению к уровню Е₁. Свет с частотой ν, согласно условию hν = Е₂ - Е₁ вызывает вынужденные переходы с уровней Е2 на Е₁. Излучение имеет длину волны, соответствующую красному свету (л = 0,69 мкм).

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 кри­cталлов иттриево-алюминиевого граната YAG. В эти кристаллы добавляются пpимеси не­одима. 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 с длинной волны (λ 0,081 мкм), соответствующей полосе поглощения неодима. Благодаря высокой концентpaции центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощностъ 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%-ное 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, нaправленноcти) достигается за счет перехода к одномодовому режиму генерации и уменьшения энергетического кпд.

Поиск по сайту: