Лазеры на гранате с неодимом (ИАГ-лазеры)

Отмеченные в предыдущем параграфе недостатки стеклянных лазеров с ионом неодима в качестве активной частицы удалось во многом устранить, используя в качестве матрицы для ионов неодима иттриево-алюминиевый гранат (УзА1 О ). Эти лазеры, часто называемые ИАГ-лазерами, были предложены Гейсицем.

Имея достаточно много полос поглощения в диапазоне длин полк от 500 до 900 нм, ион неодима в матрице из граната обладает в то же время очень узкой линией флуоресценции ~1 нм) при времени жизни метастабильного уровня ~200-300 мкс. Благодаря этому сечение вынужденных переходов в ИАГ достигает ~3 10 см. Так как концентрация активных частиц в гранате также высока (), то очень высокие коэффициенты усиления на уровне 1-3 см удается получить, возбудив всего лишь несколько процентов ионов, т. е. при низких уровнях накачки.

ИАГ является твердым изотропным кристаллом. Из него удается изготовить активные элементы в виде стержней с диаметром до 0,5-1 см и длиной до 10 см, отличающиеся высоким оптическим качеством и хорошо поддающиеся полировке. Однако основным преимуществом граната по сравнению со стеклом является его более высокая теплопроводность и способность выдерживать, не разрушаясь, большие градиенты температур. Именно эти теплофизические свойства вместе с высоким коэффициентом усиления и низкой пороговой энергией возбуждения позволяют осуществить в лазерах с ИАГ не только импульсный, но и импульсно-периодический, а также непрерывный режим генерации.

Так как объем активного элемента из ИАГ ограничен, предельные энергии излучения лазеров на ИАГ в моноимпульсе не превышают 1-10 Дж, что существенно ниже, чем у лазеров на стекле. Поэтому обычно лазеры на ИАГ используются в режиме импульсно- периодического или непрерывного возбуждения. При этом в режиме импульсно- периодического возбуждения создают достаточно длинные (0.5-10 мс) импульсы с частотой повторения до 100 Гц, а короткие (<10 мкс) импульсы с высокой частотой следования по 100 кГц обычно получают при непрерывном возбуждении, модулируя добротность резонатора с помощью расположенного между активным элементом и зеркалом затвором.

Мощность непрерывной генерации современных лазеров на ИАГ достигает 400Вт. Важным с точки зрения практического применения является и оолее высокий КПД лазеров на ИАГ в условиях непрерывного возбуждения с помощью криптоновых ламп накачки его значение достигает 2-3%. Расходимость лазеров в непрерывном многомодовом режиме генерации составляет ~5 мрад, в одномодовом ~1 мрад. Пригодность данного лазера для термической технологии весьма высока. Например, для непрерывного лазера с мощностью излучения 100-200 Вт коэффициент В может достигать 20...40. И

менно по этой причине лазеры на ИАГ могут найти широкое применение в термической технологии для резки и сварки.

К числу недостатков лазеров на ИАГ следует отнести достаточно высокую стоимость рабочих элементов и связанную с ограниченным объемом кристаллов ограниченность мощности.

Подводя итог, можно сказать, что современные твердотельные лазеры обладают достаточно высоким энергетическими и пространственными характеристиками, позволяющими широко использовать их в различных технологических процессах.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков.нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров.