Твердотельный лазер
Лазер, использующий твердую активную среду

Лазерные стержни (слева направо): рубин , александрит , Er:YAG , Nd:YAG

Твердотельный лазер — это лазер , в котором в качестве активной среды используется твердое тело , а не жидкость, как в лазерах на красителях , или газ , как в газовых лазерах . [1] Полупроводниковые лазеры также находятся в твердом состоянии, но обычно рассматриваются как отдельный класс от твердотельных лазеров, называемых лазерными диодами .

Твердотельные носители

Обычно активная среда твердотельного лазера состоит из стекла или кристаллического «хозяина», к которому добавлена ​​« легирующая примесь », такая как неодим , хром , эрбий , [2] , тулий [3] или иттербий . [4] Многие из распространенных легирующих примесей являются редкоземельными элементами , поскольку возбужденные состояния таких ионов не сильно связаны с тепловыми колебаниями их кристаллических решеток ( фононами ), и их рабочие пороги могут быть достигнуты при относительно низких интенсивностях лазерной накачки .

Существует много сотен твердотельных сред, в которых лазерное действие было достигнуто, но относительно немногие типы широко используются. Из них, вероятно, наиболее распространенным является иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd:YAG). Стекло, легированное неодимом (Nd:glass), и стекла или керамика , легированные иттербием, используются при очень высоких уровнях мощности ( тераватты ) и высоких энергиях ( мегаджоули ) для многолучевого инерционного термоядерного синтеза .

Первым материалом, использованным для лазеров, были синтетические рубиновые кристаллы . Рубиновые лазеры все еще используются в некоторых приложениях, но они больше не распространены из-за их низкой энергетической эффективности. При комнатной температуре рубиновые лазеры излучают только короткие импульсы света, но при криогенных температурах их можно заставить излучать непрерывную последовательность импульсов. [5]

Вторым твердотельным активным веществом был фторид кальция , легированный ураном . Питер Сорокин и Мирек Стивенсон в лабораториях IBM в Йорктаун-Хайтс (США) экспериментировали с этим материалом в 1960-х годах и добились генерации на длине волны 2,5 мкм вскоре после рубинового лазера Меймана .

Некоторые твердотельные лазеры можно сделать настраиваемыми, используя внутрирезонаторные эталоны , призмы , решетки или их комбинацию. [6] Титановый сапфир широко используется из-за его широкого диапазона настройки, от 660 до 1080 нанометров . Александритовые лазеры настраиваются от 700 до 820 нм и выдают более мощные импульсы, чем титан- сапфировые лазеры, из-за более длительного времени накопления энергии усиливающей средой и более высокого порога повреждения .

Насосная

Твердотельные лазерные среды обычно накачиваются оптически с помощью импульсной или дуговой лампы , или лазерных диодов . [1] Твердотельные лазеры с диодной накачкой, как правило, намного более эффективны и стали гораздо более распространенными, поскольку стоимость мощных полупроводниковых лазеров снизилась. [7]

Блокировка режима

Синхронизация мод твердотельных лазеров и волоконных лазеров имеет широкое применение, поскольку позволяет получать сверхкороткие импульсы большой энергии. [1] Существует два типа насыщающихся поглотителей, которые широко используются в качестве синхронизаторов мод: SESAM, [8] [9] [10] и SWCNT. Также использовался графен . [11] [12] [13] Эти материалы используют нелинейное оптическое поведение, называемое насыщающимся поглощением, чтобы заставить лазер создавать короткие импульсы.

Приложения

Твердотельные лазеры используются, среди прочего, в научных исследованиях, медицине и военных целях.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Heller, Jörg (1 марта 2022 г.). «A Primer on Solid-State Lasers». www.techbriefs.com . SAE Media Group . Получено 7 августа 2022 г. .
  2. ^ Singh, G.; Purnawirman; Bradley, JDB; Li, N.; Magden, ES; Moresco, M.; Adam, TN; Leake, G.; Coolbaugh, D.; Watts, MR (2016). «Резонансные накачиваемые эрбиевые волноводные лазеры с использованием распределенных резонаторов брэгговского отражателя». Optics Letters . 41 (6): 1189–1192. Bibcode : 2016OptL...41.1189S. doi : 10.1364/OL.41.001189 . PMID  26977666.
  3. ^ Su, Z.; Li, N.; Magden, ES; Byrd, M.; Purnawirman; Adam, TN; Leake, G.; Coolbaugh, D.; Bradley, JD; Watts, MR (2016). «Сверхкомпактный и низкопороговый тулиевый микрорезонаторный лазер, монолитно интегрированный на кремнии». Optics Letters . 41 (24): 5708–5711. Bibcode :2016OptL...41.5708S. doi : 10.1364/OL.41.005708 . PMID  27973495.
  4. ^ Z. Su, JD Bradley, N. Li, ES Magden, Purnawirman, D. Coleman, N. Fahrenkopf, C. Baiocco, T. Adam, G. Leake, D. Coolbaugh, D. Vermeulen и MR Watts (2016) «Сверхкомпактный иттербиевый микролазер, совместимый с КМОП», Integrated Photonics Research, Silicon and Nanophotonics 2016 , IW1A.3.
  5. ^ "Непрерывная работа твердотельного лазера раскрыта BTL" (PDF) . Астронавтика : 74. Март 1962.
  6. ^ NP Barnes, Твердотельные лазеры на переходных металлах, в Справочнике по перестраиваемым лазерам , под ред . FJ Duarte (Academic, Нью-Йорк, 1995).
  7. ^ «Лазеры с диодной накачкой: применение для повышения производительности и надежности». photonics.com .
  8. ^ Х. Чжан и др., «Индуцированные солитоны, сформированные перекрестной поляризационной связью в волоконном лазере с двулучепреломляющим резонатором». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Opt. Lett., 33, 2317–2319.(2008).
  9. ^ DY Tang et al., «Наблюдение векторных солитонов с синхронизацией поляризации высокого порядка в волоконном лазере». Архивировано 20 января 2010 г. в Wayback Machine , Physical Review Letters , 101, 153904 (2008).
  10. ^ LM Zhao et al., «Блокировка вращения поляризации векторных солитонов в волоконном кольцевом лазере». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Optics Express , 16,10053–10058 (2008).
  11. ^ H. Zhang; DY Tang; LM Zhao; QL Bao; KP Loh (2009). "Large energy mode locking of an erbium-doped fiber laser with atomic layer graphene" (PDF) . Optics Express . 17 (20): 17630–5. arXiv : 0909.5536 . Bibcode :2009OExpr..1717630Z. doi :10.1364/OE.17.017630. PMID  19907547. S2CID  207313024. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 г.
  12. ^ Хань Чжан; Цяолян Бао; Динюань Тан; Лумин Чжао и Кианпинг Ло (2009). "Большой энергетический солитонный эрбиевый волоконный лазер с графеново-полимерным композитным синхронизатором мод" (PDF) . Applied Physics Letters . 95 (14): 141103. arXiv : 0909.5540 . Bibcode :2009ApPhL..95n1103Z. doi :10.1063/1.3244206. S2CID  119284608. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 г.
  13. ^ "Графен: лазеры с синхронизацией мод". NPG Asia Materials . 21 декабря 2009 г. doi : 10.1038/asiamat.2009.52 .
  • Кёхнер, Вальтер (1999). Solid-State Laser Engineering (5-е изд.). Springer. ISBN 978-3-540-65064-5.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Твердотельный_лазер&oldid=1228698501"