Учебник по твердому телу

Nov 17, 2023

Первым когда-либо созданным лазером был твердотельный рубиновый лазер, созданный Теодором Мейманом в 1960 году. Но твердотельные лазеры не являются исторической диковинкой. Скорее, с годами технология выросла и диверсифицировалась, обслуживая огромный спектр научных, промышленных, аэрокосмических, оборонных, медицинских и биологических приложений.

Лазеры широко классифицируются по состоянию вещества их лазерного материала (усиливающей среды): газовые, жидкостные, твердотельные и даже плазменные лазеры. Однако общепринято использовать термин «твердотельный» только для обозначения лазеров, в которых используется кристаллическая или стеклянная усиливающая среда. Этот материал-хозяин обычно легирован ионами для поддержания популяции и, следовательно, лазерного действия.

Накачка — это процесс подачи необработанной энергии в лазерный кристалл, которую он затем преобразует в лазерный свет. Кристалл непроводящий, поэтому энергия накачки практически всегда передается в твердотельные усиливающие среды в виде света, а не в форме электричества. Первые твердотельные лазеры накачивались лампами-вспышками. Ситуация резко изменилась с появлением диодной лазерной накачки в 1980-х годах.

Диодные лазеры представляют собой интенсивный источник света, а длину волны можно подобрать в соответствии с поглощением усиливающей среды. В результате получается очень эффективный лазер, в котором относительно большое количество энергии, первоначально подаваемой в лазер (в частности, электричества, используемого для питания диодов), в конечном итоге преобразуется в лазерный свет. Кроме того, диодная накачка обеспечивает огромную надежность и срок службы, небольшую занимаемую площадь (размер) и стабильную работу.

Однако ламповая накачка все еще используется с некоторыми твердотельными лазерными кристаллами. Это связано с тем, что твердотельные лазеры с ламповой накачкой могут производить импульсы очень высокой энергии. Кроме того, типичная закупочная цена и стоимость ватта мощности накачки лампы намного ниже, чем у диодов.

Резонаторы твердотельных лазеров в основном устроены традиционным способом. А именно, усиливающий материал помещается между двумя зеркалами, образуя оптический резонатор. Иногда на конец(а) лазерного кристалла наносится покрытие, превращающееся в зеркало(а). Сам лазерный кристалл может иметь форму стержня, пластины или тонкого диска.

Из-за большого количества различных кристаллов в настоящее время используется множество различных типов твердотельных лазеров. Описать их все здесь невозможно, да и классифицировать их сложно, поскольку существующие твердотельные лазеры охватывают чрезвычайно широкий диапазон выходных характеристик. Но для целей данного обсуждения полезно разбить их на три широкие категории: непрерывные волны (CW) и наносекундные импульсы, сверхкороткие импульсы и сверхбыстрые лазеры.

Наиболее распространенные твердотельные лазеры этой категории основаны на кристаллах неодима, обычно легированных алюмоиттриевым гранатом (Nd:YAG), ортованадатом иттрия (Nd:YVO4) или фторидом лития иттрия (Nd:YLF). Самый сильный основной лазерный выход для всех этих кристаллов находится в инфракрасном диапазоне на длине волны около 1 мкм.

Все эти кристаллы используются, поскольку каждый из них обеспечивает несколько разные рабочие характеристики. Например, Nd:YVO4 лучше всего подходит для импульсных лазеров с высокой пиковой мощностью и высокой частотой повторения. Напротив, Nd:YAG обычно обеспечивает более высокую общую энергию импульса при более низкой частоте повторения. Nd:YLF обеспечивает еще более высокую энергию импульса, обычно при еще более низкой частоте повторения.

Существует также несколько лазерных кристаллов, в которых вместо Nd используются легирующие примеси гольмия, тулия, иттербия или эрбия. Кристаллы Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG излучают на длине волны около 2 мкм. Эта длина волны сильно поглощается живой тканью, содержащей воду, что делает эти типы лазеров полезными для различных медицинских применений.

Большинство этих кристаллов могут работать в непрерывном режиме (CW). Но большинство обрабатывающих материалов и других промышленных твердотельных лазеров работают в импульсном режиме. Импульсная обработка увеличивает пиковую мощность, что имеет решающее значение для превышения порога абляции (минимальной мощности, необходимой для плавления или испарения) многих материалов, особенно металлов, или для изменения цвета поверхности для маркировки.