Лазер (оптический квантовый генератор) — устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Твердотельные лазеры — это оптические квантовые генераторы, в которых активным веществом являются диэлектрические кристаллы и стёкла, со­держащие ионы редкоземельных или переходных элементов, энергетические уров­ни которых используются для создания инверсии населённостей. Полупровод­никовые лазеры, являясь также твер­дотельными, выделяются в особую группу, т. к. в них используются не квантовые переходы между энергетическими уровнями «рабочих» ионов, а квантовые переходы между разрешёнными энер­гетическими зонами полупроводников. Твердотельный лазер находит ши­рокое применение как в фундаментальных научных исследованиях, так и в промышленности и медицине, что обусловлено главным образом возможностью достижения большой ударной энергии и импульсной мощности генерации благодаря высокой кон­центрации активных частиц.
Рубиновый лазер (Т. Мейман, США, 1960). Рубин представляет собой кри­сталл корунда Аl₂O₃ с примесью (~0,05%) ионов Сr³⁺, заменяющих в кристаллической решётке атомы Аl. Погло­щение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, пере­водит ионы Сr³⁺ с основного уровня Е₁ на возбуждённые уровни Е₃, образу­ющие две широкие полосы 1 и 2 (рис. 18). Затем за сравнительно малое время (~10^–8 с) осуществляется
Рис. 18
безызлучательный переход этих ионов на метастабильные уровни Е₂ и E₂^’. Избыток энергии при этом передаётся колеба­ниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Сr³+ на уровнях Е₂ и Е₂^’ порядка 10^–3 с. При освещении кри­сталла светом, соответствующим синей и зелёной областям спектра (полосы накачки), происходит «накопление» ионов Сr³⁺ на уровнях E₂ и E₂^’, а при достаточной мощности накачки возникает инверсия населённостей от­носительно уровня E₁. Для достижения инверсии необходимо перевести более ½ ионов на уровни E₂, E₂^’ за время порядка 10^–3 с. Источниками на­качки служат обычно импульсные ксеноновые лампы (длительность импульса ~10^–3 с). За это время в каждом см³ кристалла поглощается энергия ~ несколько Дж. Если инверсия населён­ностей достигает порогового значе­ния, при котором усиление за счёт вынужденного испускания превышает потери энергии в резонаторе, то возникает режим генерации (см. ниже). Рубиновый лазер генерирует на длине волны ~ 0,7 мкм.
Отношение энергии лазерного импульса к электрической энергии питания лампы накачки — кпд рубинового лазера мал (несколько %) вследствие потерь на преобразование электрической энергии в световую в лампах и в схеме питания, неполного поглощения энергии излу­чения ламп активным элементом (~15%) и в результате безызлучательных потерь энергии в активном веще­стве. Удельная энергия импульса генерации от каждого см³ вещества рубинового лазера достигает нескольких Дж; примерно столько же энергии передаётся решётке кри­сталла вследствие безызлучательных потерь. Выделение энергии ~1 Дж/см³ нагревает кристалл на десятки градусов. Выделение теплоты происходит не­одинаково по сечению активного вещества, нарушая его оптическую однородность. Это приводит к искажению фронта ге­нерируемых волн и к расходимости луча лазера. При чрезмерном выделении теплоты кристалл разрушается.