Федеральное агентство по образованию

Московский государственный технический университет

Имени н.Э.Баумана

Методические указания к лабораторным работам

Особенности устройства и работы твердотельных лазеров

2007 г.

Твердотельные лазеры (ТТЛ), с которых в 1960 г началась лазерная эра (первым в мире был сконструирован ТТЛ на кристалле рубина (1960г); в 1961 г был создан лазер на неодимовом стекле и др.), продолжают активно развиваться и играют важную роль в современных технологиях.

ТТЛ, активные среды которых выполнены из кристаллических и аморфных матриц с введенными ионами активаторов, надежны, удобны и сравнительно простыв эксплуатации. При небольших габаритах они могут генерировать очень высокие импульсные мощности (вплоть до 10¹² Вт и более), очень короткие световые импульсы (до 10^-12 с и менее), а также работать в непрерывном режиме с выходной мощностью от единиц мВт до сотен Вт.

Специфика используемых лазерных активаторов – редкоземельных ионов неодима, эрбия, иттербия (или ионов хрома, титана) позволяет в твердотельных лазерах накапливать энергию возбуждения на верхнем лазерном уровне по трех- и четырехуровневой схеме и обеспечить эффективную работу лазера в самых разнообразных режимах работы:

-в режиме свободной генерации при непрерывной накачке;

-в режиме свободной генерации при импульсной накачке повторяющимися световыми импульсами;

-в режиме модулированной добротности при непрерывной накачке, когда излучается цуг регулярных мощных импульсов (режим «разгрузки» резонатора);

-в режиме модуляции добротности при однократной или повторяющейся импульсной накачке, когда высвечивается однократный (например - для дальномера) или повторяющийся (для светолокатора) мощный световой импульс.

ТТЛ не имеют аналогов по яркости и пиковой мощности излучения, так как допускают работу в одномодовом (по поперечным индексам) режиме с хорошим качеством пучка в сочетании с режимом модуляции добротности, недоступным большинству других лазеров. Высокая пиковая мощность излучения позволяет эффективно преобразовывать средствами нелинейной оптики излучение ТТЛ ближнего ИК-диапазона в видимый и даже ультрафиолетовый диапазоны спектра, а также в средний ИК-диапазон.

Активные среды для ТТЛ за годы многолетних исследований были оптимизированы для лазеров различных типов и применений. Наибольшее распространение получили кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂ (ИАГ), а также алюмината иттрия YAlO₃, активированные неодимом, эрбием, иттербием, туллием; кристаллы сапфира – оксида алюминия Al₂O₃ с примесями хрома и титана и несколько других кристаллов, а также стекла различных составов с неодимом, эрбием, иттербием и др. Нельзя не упомянуть разработанный в России кристалл галлий-скандий-гадолиниевого граната (ГСГГ) с примесью хрома и неодима, эффективно передающий возбуждение от ионов хрома неодиму и повышающему эффективность лазеров с широкополосной накачкой (Хе лампы-вспышки).

Основное отличие ТТЛ, использующих в качестве активной среды диэлектрические примесные кристаллы и стекла, от лазеров других типов состоит в том, что практически единственным возможным методом воздействия на твердое тело, способным нарушить состояние термодинамического равновесия без его разрушения, является облучение его мощным вспомогательным источником излучения, спектральный состав которого соответствует спектру поглощения данной активной среды.

Наличие широких полос поглощения позволяет использовать и немонохроматические источники излучения накачки. Система накачки помимо источника включает также отражатель системы накачки. Объединенные в общем корпусе активный элемент, лампа накачки и отражатель называют квантроном.

Конструктивно ТТЛ состоит (рис. 1) из следующих базовых составляющих:

1-одного или нескольких активных элементов;

2-оптического резонатора;

3-системы накачки;

4-блока питания;

5-блока охлаждения (при необходимости);

6-блока управления (при наличии элемента, управляющего режимом генерации 7);

8-нелинейного элемента (в случае генерации высших гармоник и др.).

В замкнутом объеме корпуса излучателя (см. рис. 1) размещены все элементы оптического резонатора (отражатель с устройством юстировки, затворы, диафрагмы и др.), квантрон, системы так называемой «ближней электроники», неотделимые от излучателя, например высоковольтное устройство поджига лампы накачки или высокочастотный контур питания устройства управления (акусто-оптического затвора), а также трубопроводы системы жидкостного охлаждения и т.д.

Рис. 1

Наряду с линейной оптической схемой излучателя иногда используется более сложная угловая или z-схема. На рис. 2 а, б приведены оптические схемы лазеров ЛТН-401 и ЛТН-402, где помимо зеркал резонатора 1,3,5,6 и активного элемента 4, в одном из плеч резонатора установлен нелинейный элемент 2 для генерации второй гармоники. Такие свернутые оптические схемы используют в случаях, когда габаритные размеры конструкции не позволяют реализовать оптимальную линейную схему.

Рис. 2

Для реализации оптической накачки электрическая энергия от блока питания преобразуется в лампе накачки в световую энергию, часть которой с помощью отражателя системы накачки фокусируется внутрь активного элемента.

В ТТЛ применяют, как правило, некогерентную оптическую накачку. Существующие мощные источники света – дуговые и импульсные газоразрядные лампы позволяют эффективно возбуждать ТТЛ. КПД лампы накачки, т.е. отношение лучистого потока Ф_изл, излучаемого лампой, к подводимой электрической мощности Р_эл (η=Ф_изл/Р_эл) может составлять от 30 до 60%. В настоящее время наибольшее распространение получили ксеноновые и криптоновые лампы накачки прямой трубчатой конструкции, работающие в импульсном или непрерывном режимах и являющиеся наиболее экономными преобразователями электрической энергии в энергию оптического излучения в видимой (сине-зеленой или красной) и ультрафиолетовой областях спектра. Ксенон преобразует в оптическое излучение до 60% поступающей в разряд электрической энергии, а криптон – до 50% (КПД импульсных ламп может достигать 75%), при этом спектр их излучения близок к спектру излучения АЧТ с температурой 8000-12000°К. Иногда используются аргоновые и ртутные газоразрядные лампы, а также галогенные лампы накаливания с йодным циклом (в маломощных лазерах).

Хотя КПД ламп накачки достаточно высок, из общего количества излучаемой энергии не более 25-30% имеет спектральный состав, соответствующий полосам поглощения активной среды. Остальная энергия не просто теряется, а переходит в тепло, приводя к паразитному нагреву активного элемента и элементов конструкции лазера. Более того, коротковолновое ультрафиолетовое излучение накачки с λ<0,3 мкм, соответствующее собственному поглощению матрицы, поглощается в ее тонком приповерхностном слое, приводя к поверхностному разрушения активного элемента.

Свет ламы накачки собирается на активный элемент ТТЛ с помощью различного типа отражателей. Фокусировка направленного во все стороны некогерентного возбуждающего света (Ф_изл) в активный элемент (Ф_ас) является основной задачей отражателя (и характеризуется КПД отражателя η_отр = Ф_ас/Ф_изл) наряду с обеспечением равномерности освещения активного элемента (γ = Ф_макс/Ф_ср). В лазерах с ламповой накачкой и активными элементами цилиндрической формы отражатели также имеют форму кругового (рис. 3) или эллиптического (рис. 4, а) цилиндра.

Рис. 3

Рис. 4

Эллиптические цилиндрические системы позволяют расположить активный элемент и лампу в фокусах эллипса и получить высокую эффективность, а также организовать раздельное охлаждение лампы и активного элемента, если, например, осветитель представляет собой моноблок из кварцевого стекла (в ряде случаев с легирующими добавками, поглощающими вредное для активного элемента ультрафиолетовое излучение лампы накачки) с высверленными по фокальным осям каналами с внешним покрытием из серебра или алюминия. Это позволяет использовать во внутреннем контуре охлаждения дистиллированную воду без каких-либо фильтрующих добавок и тем самым значительно повысить эксплуатационные свойства лазера. В лазерах, неимеющих жидкостного охлаждения, используют стеклянные, металлические или кварцевые цилиндры, покрытые отражающим металлическим или многослойным диэлектрическим покрытием. Иногда используют диффузные отражающие покрытия из MgO или SiO₂.

Для уменьшения ультрафиолетовой части спектра накачки в качестве материала отражателя здесь используют окрашенные вещества, например плавленый кварц, окрашенный примесями европия и титана. Используются также специальные фильтрующие покрытия на боковой поверхности лампы накачки и активного элемента.

В мощных лазерах используются многоламповые системы накачки, где лампы накачки расположены в фокальных осях эллиптического цилиндра (рис. 4, б), что повышает не только эффективность η_отр, но и равномерность накачки γ.

Дальнейший прогресс в развитии лазеров на кристаллах Nd:YAG и Nd-стекле направлен на увеличение выходной мощности. Это возможно за счет совершенствования технологии и повышения качества активных элементов – стержней (в традиционных конструкциях), а также за счет разработок принципиально новых систем, в которых активный элемент изготовлен в виде пластины прямоугольной формы. При такой геометрии градиенты температуры оказывают существенно меньшее влияние (во втором порядке) на выходное излучение, что позволяет достичь существенно более высоких уровней мощности при хорошем качестве пучка. При обычной стержневой геометрии тепловые градиенты являются радиальными и перпендикулярными направлению распространения потока вдоль оси стержня. При этом высокая эффективность накачки достигается ценой потери однородности усиления и, соответственно, однородности пучка.

В случае пластинчатой геометрии накачка и охлаждение активного элемента осуществляется с лицевых сторон пластины. Если направление распространения излучения выбрано таким образом, что распространяющийся луч испытывает одинаковое интегральное усиление и фазовый сдвиг в любом месте пучка вдоль его пути в лазерной среде, то в результате никаких амплитудных и фазовых искажений не будет. При этом высокая эффективность накачки будет совмещаться с высоким качеством луча даже при высокой средней мощности. Такая геометрия позволяет, во-первых, ориентировать напряжения в одном направлении, а во-вторых - использовать зигзагообразный ход пучка в целях уменьшения фокусирующего влияния напряжений.

Типичная схема лазера с пластинчатой геометрией приведена на рис. 5, где 1 - активный элемент в виде пластины, 2 - лампы накачки, 3 - управляющий элемент, 4 - зеркала резонатора, 5 – теплоотводы, 6 - отражатели.

Рис. 5

Конструктивно лазеры с пластинчатой геометрией могут быть двух типов: зигзагообразный лазер – лазер, в котором используется одна пластина (что позволяет получать выходную мощность до нескольких киловатт); дисковый лазер – лазер, активный элемент которого набран из ряда пластин, что принципиально дает возможность получить сколь угодно большую мощность.

Лазеры с ламповой накачкой имеют заметный недостаток – низкий КПД использования света накачки.

Кроме того, излучение ламп немонохроматично и не может хорошо фокусироваться внутрь активного элемента. Все это обуславливает относительно большой энергетический порог генерации таких лазеров и не позволяет им работать при маленьких электрических энергиях накачки, когда это необходимо. Прорыв в этом узком месте обеспечивает применение для накачки когерентного, монохроматичного излучения другого лазера. Таким другим лазером, в частности, может быть полупроводниковый лазер на длине волны, совпадающей с какой-либо линией поглощения рабочего иона. Например, для ионов неодима хорошо подходит излучение лазерных диодов на GaAlAs с длиной волны около 0,81 мкм. На сегодняшний день именно такая комбинация получила наибольшее распростра­нение, особенно для кристаллов АИГ-Nd. В этом случае излучение света накачки поглощается практически полностью, и, кроме того, оно может быть сфокусировано в тонкий канал внутрь активного элемента. Последнее обеспечивает необходимую для генерации лазера плотность света накачки при малых абсолютных мощностях.

Однако повышенный КПД и возможность работать при весьма малых мощностях накачки, когда газоразрядные лампы вообще не работают, являются не единственными преимуществами лазеров с полупроводниковой накачкой. В последнее время наблюдается дальнейшее развитие мощных и даже сверхмощных твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. Это развитие основано прежде всего на качественно новом этапе разработки и создании мощных решеток и матриц полупроводниковых лазерных излучателей.

Данные лазеры по геометрии накачки делятся на две группы – продольную и поперечную. При продольной накачке ее пучок направляется вдоль пучка генерации и максимально совмещается с ним (рис. 6, а – с накачкой через объектив, б – с накачкой через световод).

Рис. 6

При поперечной накачке пучок направляется в поперечном направлении по отношению к пучку генерации подобно ламповой накачке (рис. 7, а – непосредственно от решетки ЛД, б – через световолоконный жгут).

Рис. 7

Лазеры с продольной накачкой вследствие хорошего пространственного совмещения пучков накачки и генерации обеспечивают минимальные пороги генерации. Недостатком такого типа накачки является трудность освещения большого объема активной среды. Поэтому данный способ накачки применяется в лазерах с относительно небольшой мощностью генерации, когда основными являются другие параметры, например - малые габаритные размеры, стабильность частоты и мощности излучения, монохроматичность и т. п. Достигаемые мощности когерентного излучения составляют от единиц до сотен милливатт.

Для достижения больших мощностей излучения используется поперечная накачка, позволяющая освещать большие объемы активной среды. При этом применяются матрицы лазерных диодов, размещаемые либо вдоль боковой поверхности активного элемента, либо на некотором расстоянии от него. В первом случае свет накачки непосредственно попадает внутрь активного элемента; во втором случае свет накачки заводится в активный элемент через световолоконный жгут. Поперечный способ накачки позволяет достигать мощности генерации до единиц ватт, а в перспективе — десятков ватт. Однако с ростом мощности накачки быстро нарастают трудности отвода тепла от матриц полупроводниковых лазеров. Поэтому дальнейший прогресс в повышении мощности накачки и генерации возможен лишь с повышением КПД самих решеток полупроводниковых лазеров и соответствующего уменьшения их нагрева.

На основе мощных и сверхмощных излучателей полупроводниковых решеток и матриц в виде плоских излучающих поверхностей созданы мощные и сверхмощные ТТЛ с полупроводниковой накачкой. Такой метод накачки может использоваться не только для продольной накачки (см. рис. 8), но и для поперечной накачки (рис. 9).

Рис. 8

Рис. 9

При использовании полупроводниковой накачки эффективность использования света накачки составляет ~20%, что существенно выше КПД ламповой накачки. Тем не менее это приводит к достаточно сильному нагреву самого активного элемента. Поэтому для достижения больших мощностей излучения необходимо решить проблемы отвода тепла от активного элемента. Для этой цели предложена многопластинчатая конструкция активного элемента с принудительным охлаждением каждой пластины в отдельности (рис. 10). При этом лазерный пучок сильно расширяется в диаметре и направляется поперек пластин, что резко снижает удельную нагрузку на кристалл и предохраняет его от разрушения.

Рис. 10

Одним из перспективных направлений развития ТТЛ является разработка миниатюрных (микро)ТТЛ.

Диодная накачка позволила легко получить генерацию ТТЛ с малым объемом активной среды, снизить пороговые мощности накачки с долей киловатта до долей ватта и охватить твердотельными лазерами милливаттный уровень выходных мощностей (1-100 мВт). В результате был создан новый класс миниатюрных твердотельных лазеров. Использование в таких лазерах нелинейных кристаллов позволило создать малогабаритные и недорогие "зеленые" и "синие" лазеры, осуществляющие преобразование во вторую гармонику излучение ИAГ:Nd на волнах 1,064 и 0,946 мкм соответственно. Маломощными малогабаритными твердотельными лазерами с диодной накачкой перекрыт диапазон от 0,47 до 1,32 мкм (0,47; 0,53; 0,66; 0,94; 1,064; 1,32 мкм). Эти приборы получают широкое применение как лазерные указки, источники светового «луча» в геодезических приборах, лазеры для информатики, медицинской техники, аналитического приборостроения и т.п.

Дальнейшее развитие этого направления видится в широком использовании интегральной технологии. Объединение активного кристалла, пассивного затвора, резонатора, а часто и нелинейного элемента в единой жесткой гибридной конструкции (объединенной методом диффузионной сварки) привело к созданию так назваемых «микрочип-лазеров» (рис. 11), где 1 - неактивированный ИАГ; 2 - ИAГ:Nd; 3 - ИAГ:Cr⁴⁺;

4 - «глухое» зеркало; 5 - выходное зеркало.

Рис. 11

Возбуждаемый через оптическое волокно полупроводниковым лазером такой прибор способен излучать цуг импульсов с частотой до 50 кГц. Очень короткий резонатор (длиной не более нескольких миллиметров) позволяет при модуляции добротности без сложных дополнительных приемов получать импульсы субнаносекудной длительности.

С использованием накачки одним или несколькими мощными диодами и акустооптической модуляции добротности удается создать миниатюрные, но мощные (~ 1 Вт) источники ультрафиолетового излучения (355 и 266 нм) с применением схемы нелинейного преобразования частоты. Во всех этих случаях ТТЛ с диодной накачкой не имеет конкуренции.

Д.т.н., профессор		О.В. Рожков
К.т.н., доцент		Н.М. Вереникина

10