1,06

113/Z

110

Рис. 4.6. Схема нижних уровней неодима в силикатном стекле

-E{%kT. Если выполняется это условие, то при термодинамическом равновесии системы населенность уровня 2 незначительна. Это облегчает условия для создания инверсной населенности между уровнями 5 и 2. Поэтому для возбуждения четырехуровневой системы требуется меньшая эргер-гия по сравнению с трехуровневой. Этим объясняется большее значение энергетического КПД лазера на стекле с неодимом по сравнению с лазером на рубине.

Спектр поглошения ионов неодима в стекле состоит из большого числа сравнительно узких полос. Наиболее интенсивные полосы поглошения расположены в области 520, 580, 740, 800 и 900 нм. Имеется также интенсивное погло-шение в области 350 и 2400 нм. Люминесценция ионов неодима проявляется при возбуждении в любой из полос поглошения, начиная от 900 нм и короче. Она состоит из четырех полос с длинами волн около 0,9; 1,06; 1,3 и 1,9 мкм (рис. 4.6). Наиболее интенсивная полоса -1060 нм. Длительность люминесценции зависит от состава стекол: она сокраша-ется более чем на порядок при переходе от силикатных (10- с) к боратны№и фосфатным стеклам.

К достоинствам оптического неодимового стекла, как активного материала квантовой электроники (наряду с высоким энергетическим КПД), следует отнести:

практически неограниченные размеры изделий; простоту изготовления образцов любой формы; высокую оптическую однородность стекла больших размеров и малые потери на неактивное поглоше-ние на длине волны генерации (0,001 см-); изотропность свойств стекла; простоту массового производства; возможность введения активатора в необходимых концентрациях с равномерным распределением его по образцу.

В то же время по сравнению с кристаллами стекла имеют некоторые отрицательные свойства. Основные недостатки стекла - низкая теплопроводность и термостойкость и высокий коэффициент теплового расширения. Это затрудняет создание стеклянных квантовых генераторов большой мощности, работающих в режиме повторения импульсов.

Как и лазеры на рубине, лазеры на стекле, активированном ионами неодима, могут работать во всех временных режимах излучения, выбор которого определяется областью применения лазера. В режиме свободной генерации лазеры на стекле с неодимом

Таблица 4.3

Основные параметры некоторых типов многоэлементных лазеров на стекле с неодимом, работающих в режиме модулированной добротности

обеспечивают излучение с большой (до 5000 Дж) энергией и высоким (до 6%) КПД [31].

В режиме модуляции добротности лазеры на стекле обеспечивают излучение моноимпульса с высокой пиковой мощностью при длительности импульса 10-* с. Как и лазеры на рубине, лазеры на стекле в моноимпульсном режиме бывают одноэлементные и многоэлементные (каскадные).

Энергия излучения одноэлементных лазеров на стекле с неодимом лежит в пределах 0,1 ... 4 Дж и определяется максимально реализуемыми на практике размерами активных модуляторов добротности и величиной пороговой плотности энергии, при которой наступают необратимые процессы разрушения активных элементов лазера. Величина пороговой плотности энергии разрушения прн длительности импульса 30 не и при условии обеспечения приемлемой долговечности составляет для промышленных образцов элементов из неодимового стекла 4 ... 5 Дж/см [39].

Дальнейшее увеличение мощности (энергии) достигается, как и для лазеров на рубине, при переходе на многоэлементные (каскадные) конструкции с последовательным или параллельным усилением излучения. Основные параметры наиболее типичных многоэлементных лазеров на стекле, активированном неодимом, выполненных по схеме последовательного усиления моноимпульсного сигнала, приведены в табл. 4.3.

Генерационные характеристики лазеров на стекле с неодимом в значительной степени зависят от марки стекла, используемого в качестве активного элемента. Так, фосфатные стекла обеспечивают более высокую энергию и КПД генерации и меньшую угловую расходимость. По оценкам [31], использование активных элементов из фосфатных стекол в лазерных устройствах позволяет достичь эффективности генерации в 1,5 раза большей, чем у силикатных стекол, в"1,5 раза меньшей расходимости излучения и вдвое большей частоты следования импульсов.

Однако необходимо отметить, что, обладая лучшими пороговыми характеристиками, фосфатные стекла обычно имеют в 2...3 раза более низкую термостойкость, чем силикатные [31]. Это в некоторых случаях ограничивает область их применения.

Наряду с энергетическими в сильной степени от состава стекла зависят и спектральные характеристики излучения лазера. Так, ширина спектра генерации лазера на силикатномстекле даже при накачках, близких к порогу, составляет единицы нанометров. Повышение уровня накачки вызывает расширение спектрального интервала генерации до 8,0... 12,0 нм. В то же время ширина спектра генерации стекол фосфатной основы даже при десятикратном превышении энергии накачки над порогом, не превосходит 0,2 нм.

Важным фактором, определяюшим перспективность использования того или иного типа лазера в локационном-комплексе, является возможность обеспечения им импульсно-периодического режима работы системы излучения при минимальных технико-экономических затратах. К сожалению, стекло, активированное неодимом, не обладая хорошей теплопроводностью и высокой термостойкостью, не позволяет пока создавать лазеры с высоким уровнем средней мошности излучения. Действительно, в периодическом режиме, когда интервал между вспышками мал, большие тепловыделения вызывают деформацию активного элемента, в результате чего первоначальные свойства среды искажаются, что приводит к ухудшению параметров излучения.

В настояшее время существует ряд методов борьбы с нежелательными искажениями активной среды в мощных импульсно-пе-риодических лазерах на стекле с неодимом [10, 31]. К наиболее эффективным следует отнести выбор конфигурации активного элемента (пластинки, диски и т. д.); выбор оптимального режима термостабилизации, при котором минимальны поперечные градиенты температуры; подбор марок стекла. Однако, несмотря на существующие методы борьбы с тепловыми эффектами и достигнутые в этом направлении положительные результаты, проблема повышения частоты следования импульсов генерации в мощных лазерах на стекле с неодимом остается пока актуальной.

Аллюмоитриевый гранат, активированный неодимом (химическая формула Y3AI5O12: Nd+), занимает особое место среди активных сред твердотельных лазеров.

Прежде всего, благодаря низким порогам возбуждения и хорошей теплопроводности, он может работать при больших частотах повторения импульсов генерации, далеко выходящих за пределы, допустимые для рубина й стекла. Одновременно с этим, из-за низкого энергетического порога возбуждения, что является следствием четырехуровневой схемы, лазеры на основе этих элементов хорошо работают и в непрерывном режиме излучения при достаточно высоком КПД, достигающем 3,3% [71].

Полосы поглощения неодима в гранате расположены в диапазоне волн 0,4 ...0,88 мкм. Наиболее эффективными являются полосы в диапазоне 0,75, 0,81 и 0,88 мкм.

Рис. 4.7. Схема основных уровней энергии ионов Сг=+ и Nd2+ в кристалле граната

Энергия, Юсм-

Для увеличения эффективности использования энергии накачки в кристаллическую решетку граната дополнительно вводятся ионы хрома. Повышение эффективности накачки объясняется тем, что хром в решетке граната имеет две широкие полосы поглощения на длинах волн 0,43 и 0,59 мкм, которые хорошо согласуются со спектром излучения ксеноновых ламп; возбужденные ионы хрома передают свою энергию ионам неодима. Однако, так как время такой передачи сравнительно велико (6 мс), улучшение эффективности накачки наблюдается только в режиме непрерывной генерации; к тому же введение хрома увеличивает неоднородность элемента.

Иа рис. 4.7 приведена схема энергетических уровней ионов хрома и неодима в кристалле граната. Все излучательные переходы осуществляются с уровня ""з/г неодима. При этом переход ""з/г Vn/2 на А,= 1,06 мкм сопровождается излучением наибольшей иг.1енсивности. При комнатной температуре спектральная ширина излучения на этом, переходе составляет 6,5 см".

Время жизни метастабильного состояния Фз,2При концентрации иона Nd=*+ в гранате до 3% составляет 200 мкс. При концентрациях выше 6% оно заметно сокращается вследствие взаимодействия соседних ионов неодима.

Следует обратить внимание на относительную доступность источников накачки для лазеров на гранате. Ими могут быть воль-фрамойодные или мощные ксеноновые дуговые лампы. Во многих промышленных образцах лазеров используются лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Эти лазеры имеют относительно низкую стоимость. Иногда [87] для накачки лазеров на гранате применяют некогерентное излучение полупроводниковых люминесцентных светоднодов, например, на Ga.4s;vPi-x(A:«0,87). Видимое и инфракрасное излучение весьма эффективно возбуждает лазерный уровень в кристалле граната.

Особенностью лазеров на гранате является многообразие режимов работы.

В режиме свободной генерации лазеры на гранате обеспечивают излучение в широком диапазоне энергий (от 0,05 до 6 Дж) и частот следования (от 10 до 100 Гц).

Лазеры на гранате при работе в режиме модулированной добротности генерируют импульсы излучения мощностью 100 МВт н более при длительности 10... 15 не и частоте следования до 60 Гц [44]. КПД в режиме модулированной добротности достигает 1,25...

Таблица 4.4

Основные параметры некоторых типов лазеров на ИАГ, работающих в режиме модулированной добротности

1,5%, что является наиболее высоким показателем среди описанных типов твердотельных лазеров [96].

Лазеры на гранате позволяют генерировать излучение и при высоких частотах следования импульсов генерации (1...50 кГц). В таких лазерах активный элемент накачивается лампой непрерывного горения, а изменение добротности осуществляется внутрирезо-наторным переключателем добротности. Параметры некоторых лазеров на гранате, работающих с большой частотой следования импульсов, приведены в табл. 4.4.

В непрерывном режиме работы лазеры на гранате обеспечивают достаточно высокие уровни выходной мощности (до 1000 Вт) при КПД 1,5% и выше.

3. Лазеры с преобразованием частоты. Обеспечивая высокие уровни мощности, лазеры на стекле и иттрий-алюминиевом гранате с неодимом позволяют достаточно эффективно преобразовывать излучение в видимую область спектра (А,=0,53 мкм). Такое преобразование основано на нелинейном взаимодействии излучения с кристаллами [18], в результате которого на выходе кристалла появляется излучение второй гармоники, причем коэффициент преобразования во вторую гармонику обычно оказывается тем выше, чем выше уровень мощности и чем меньше угловая расходимость излучения основной гармоники [18].

В качестве преобразователей излучения используются нелинейные кристаллы типа KDP, ниобата лития, йодата лития и др. [18]. Свойства наиболее широко применяемых нелинейных кристаллов представлены в табл. 4.5.

Применяемые кристаллы можно разбить на две группы: кристаллы, выращиваемые из водных растворов, и кристаллы, выращиваемые из расплавов. Представителем первой группы является кристалл KDP, второй - кристалл ниобата лития. Водно-растворимые кристаллы относятся к мягким материалам, они гигроскопичны, плохо выдерживают резкие перепады температуры, отличаются относительно малой нелинейностью. С другой стороны, эти кристал-

« я

x 2 а. о i-о

3 о.

£ о.

таг О -

Л о Е Ё

ш с. 5 5 S

н г 5 "

, 1 я

£2 2 о . ! 5 я " ? ч

о Э g а ь я

- 00

-" о"

о о.

о о.

У)

<

о О л.

t-t?::

u о •e-o

о a,

о •6-o

fa

SO s