Твердотельные Лазеры

1. Лазеры на рубине.

   Титан-сапфировые лазеры.

3. Твердотельные лазеры с диодной накачкой.

4. Волоконные лазеры и усилители.

Лазеры на рубине.

Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется неоновая лампа-вспышка.

Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до30 см., диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцевые концы делают строго параллельными. Иногда отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого – отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10 – 25% .

Рубиновый лазер преимущественно работает в импульсном режиме и генерирует излучение на длине волны А=0,6943 мкм. Из-за возможностей получения больших импульсных мощностей, а также наличия рубиновых кристаллов высокого оптического качества рубиновый лазер и в настоящее время один из наиболее известных твердотельных лазеров.

Титан-сапфировые лазеры.

Сапфир легированный титаном широко распространенная в перестраиваемых и фемтосекундных лазерах активная среда на переходах металла. Лазер на Ti:sapphire впервые продемонстрирован в 1986 году и быстро заменил лазеры на красителях, доминировавших в области ультракоротких импульсов и широкой перестройки длины волны. Также широко используются в лабораториях для исследования твердотельных активных сред, так как длина волны может быть настроена на линию поглощения, обладает высокой стабильностью и яркостью.

Свойства Ti:сапфира

Сапфир (монокристалл Al₂O₃) имеет превосходную теплопроводность, нивелируя большинство термических эффектов даже при больших мощностях и интенсивностях [6].

Ион Ti³⁺ имеет очень широкую полосу усиления (гораздо большую, чем ионы редкоземельных металлов), что позволяет получать импульсы излучения экстремально короткой длительности и широко перестраивать длину волны излучения (обычно с помощью двулучепреломляющего тюнера). Максимум усиления и эффективность получены на длине волны порядка 800нм. Возможный диапазон перестройки 650нм~1100нм, однако для использования всего диапазоны требуется набор взаимозаменяемых резонаторных зеркал, что технически тяжело реализуемо. Число наборов зеркал может быть уменьшено с помощью широкополосных чирп-зеркал.

Твердотельные лазеры с диодной накачкой.

Применение линеек лазерных диодов (ЛЛД) для накачки вызывает трудности, связанные со сложностью размещения большого количества ЛЛД относительно АЭ, а также их питания, охлаждения и юстировки. Для создания ТТЛ различного уровня мощности разработаны диодные модули накачки, работающие в непрерывном режиме с выходной мощностью излуче­ния 100, 280 и 760 W на основе ЛЛД Silver Bullet (SB) фирмы Cutting Edge Optronics (США). Модули с мощ­ностью 100 W разработаны с использованием базового элемента ASM01C020 с мощностью излучения 20 W. В модулях с мощностью излучения 280 и 760 W ис­пользованы сдвоенные ЛЛД типа ASM01C040, каждая из которых имеет мощность генерации 40 W. Ширина линии излучения ЛЛД составляла ~ 2 nm с максимумом на длине волны 805 nm при температуре 25°С.

Базовые элементы ASM01C020 и ASM01C040, монтировались на специально разработанные теплоотводы с интенсификаторами теплообмена . Интенсификация теплообмена достигалась путем оребрения внутренней стенки теплообменника с шагом 500 jum, выполненного электроэрозионным спосо­бом. Применяемая в теплообменнике структура оребрения позволяет при расходах воды ~ 10 g/s обеспечить интенсивность теплообмена на уровне 20W/cm²-K [7].

Волоконные лазеры и усилители.

В 90-х годах прошлого столетия замечательные результаты были достигнуты в разработке и исследовании волоконных ВКР-лазеров, накачиваемых неодимовыми или иттербиевыми волоконными лазерами, которые, в свою очередь, накачиваются излучением лазерных дио­дов.

Явление вынужденного комбинационного рассеяния света лежит в основе эффективного метода преобразования частоты лазерного излучения, поскольку использо­вание различных материалов (кристаллов, стекол, жидкостей, газов) позволяет получать стоксов частотный сдвиг от нескольких сотен до нескольких тысяч обратных сантиметров. Особенно перспективно ВКР- преобразование для получения лазерного излучения в ИК-области спектра, где редкоземельные твердотель­ные лазеры обладают низкой эффективностью [8].

Хотя сечение комбинационного рассеяния в стеклах имеет значения на 2 – 3 порядка более низкие, чем в ряде нелинейных кристаллов и жидкостей, большая длина взаимодействия, малый диаметр сердцевины и низкие оптические потери стеклянных волоконных световодов приводят к эффективному ВКР-преобразованию излуче­ния накачки в стоксовом излучение.