4.1.2 Неодимовый лазер

В настоящее время рубиновые лазеры, некогда весьма популярные, вытесняются такими твердотельными лазерами, как лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом (Nd :YAG – лазером) или лазером на стекле, активированном ионами Nd. Широкое распространение неодимовые лазеры получили благодаря чрезвычайно подходящей для лазеров структуре энергетических уровней иона Nd ³⁺. В отличие от трехуровневого рубинового лазера неодимовые лазеры работают по четырехуровневой схеме, что приводит к существенному (примерно на порядок) снижению пороговой энергии накачки по сравнению с рубиновым лазером того же размера.

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (Nd :YAG – лазер)

Лазеры на гранате с неодимом – на сегодняшний день наиболее широко используемый тип технологических твердотельных лазеров. Рабочей средой в них является кристалл иттрий-алюминиевого граната (Y₃A1₅O₁₂), в котором часть ионов Y³⁺ замещена ионами активатора – редкоземельного элемента Nd ³⁺. Принятое обозначение этого лазера Nd :YAG или просто YAG.

Упрощенная схема энергетических уровней иона неодима в иттрий-алюминиевом гранате приведена на рис. 4.4. При комнатной температуре разность , что в несколько раз превосходит kT, поэтому населенность уровня Е₂ в раз меньше населенности основного состояния , т.е. он практически пуст.

С помощью сильного света лампы накачки ионы неодима возбуждаются в две широкие полосы накачки, центры которых расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм соответственно.

В

Рисунок 4.4 –  Упрощенная схема энергетических уровней Nd :YAG

ремя жизни иона в энергетических состояниях, соответствующих этим полосам очень мало, так как с большой вероятностью происходит безызлучательный переход на метастабильный уровень Е₃. Инверсия населенностей между уровнями Е₂ и Е₃ лазерного перехода достигается очень легко, поскольку нижний уровень 2 практически не заселен.

Неодимовые лазеры могут генерировать на нескольких линиях; самая сильная из них, а следовательно, и наиболее широко используемая – это линия с длиной волны λ = 1,06 мкм (инфракрасное излучение)

Nd :YAG – лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Для накачки в обоих случаях обычно используются линейные ксеноновые или криптоновые лампы в схемах, аналогичных приведенной на рис. 4.3. Размеры стержней обычно такие же, как и в случае рубина.

Крупные кристаллы YAG высокого оптического качества легкодоступны. Сравнительно высокая теплопроводность и возможность работы излучателя по четырехуровневой схеме позволяют получить высокие средние выходные мощности, частоты повторения импульсов и энергии импульсов.

Лазерные системы на основе неодима относятся к наиболее мощным лазерам. В непрерывном режиме выходная мощность изучения Nd :YAG - лазера – до 1 кВт. В импульсном режиме при энергии в импульсе несколько килоджоулей и сокращении длительности импульса до ~1 нс, мощность излучения превышает 10¹² Вт, а в особо мощных установках, предназначенных для управляемого термоядерного синтеза, может достигать 10¹⁸ Вт.

КПД лазера сравнительно высок; он достигает нескольких процентов, что значительно выше КПД рубинового лазера.

Лазер на стекле с неодимом

В лазерах этого типа ионы неодима помещены в матрицу из стекла. Стекло имеет аморфное строение. Ионы неодима являются составляющей компонентой активного элемента, а не внедрены в узлы решетки, как в кристалле. Несмотря на это уровни энергии иона Nd ³⁺ сохраняют свою индивидуальность. Поэтому диаграмма энергетических уровней будет иметь тот же вид, что и в случае матрицы из иттрий-алюминиевого граната.

Электростатическое поле, в котором находится примесный ион в стекле, отличается более неоднородным характером, чем в кристалле. Это приводит к некоторому уширению линии излучения неодима по сравнению с такой же линией в кристаллической матрице.

Весьма важные преимущества стеклянной матрицы заключаются в возможности изготовления качественных активных элементов больших размеров. В настоящее время в лазерной технике используются элементы с поперечными размерами до 5 -10 см и длиной до 2 м. Применение элементов с большими размерами позволяет получать очень большие энергии в импульсе излучения. В современных промышленных лазерах на стекле с неодимом энергия излучения в импульсе достигает 10 кДж.

При проведении технологических процессов существенным недостатком лазеров на стекле являются низкие теплопроводность и термостойкость активного элемента, что ограничивает частоту повторения импульсов и исключает реализацию непрерывного режима генерации (лазеры на стекле могут работать только в импульсном режиме). При нагреве активного элемента возникают оптические искажения. Еще одним недостатком таких лазеров является фотохимическая неустойчивость стекла, что приводит к его старению и снижению характеристик генерации излучения.