ТВЕРДОТЕ́ЛЬНЫЙ ЛА́ЗЕР

ТВЕРДОТЕ́ЛЬНЫЙ ЛА́ЗЕР, ла­зер с ак­тив­ной сре­дой в твёр­дом со­стоя­нии. В отд. класс вы­де­ля­ют по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры вслед­ст­вие ря­да их осо­бен­но­стей (пре­ж­де все­го ме­то­дов на­кач­ки). Ак­тив­ная сре­да Т. л. со­сто­ит из кри­стал­лич. или аморф­ной (стек­ло, ке­ра­ми­ка) мат­ри­цы, в ко­то­рую вне­дря­ют при­ме­си – ак­ти­ва­то­ры. В ка­че­ст­ве ак­ти­ва­то­ров обыч­но ис­поль­зу­ют­ся РЗЭ (Nd, Er, Yb и др.), у ко­то­рых воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния ионов не слиш­ком силь­но свя­за­ны с те­п­ло­вы­ми ко­ле­ба­ния­ми кри­стал­лич. ре­шёт­ки (фо­но­на­ми). Это су­жа­ет по­ло­су уси­ле­ния ла­зе­ра до 5–10 см^–1 и по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать ма­ло­мощ­ные ис­точ­ни­ки на­кач­ки. При­ме­ня­ют­ся так­же ак­тив­ные сре­ды с силь­ной свя­зью ак­ти­ва­то­ра с мат­ри­цей (ла­зе­ры на ти­тан-сап­фи­ре с Cr и др.). Роль ак­ти­ва­то­ра при этом мо­гут иг­рать де­фек­ты (ла­зе­ры на цен­трах ок­ра­ски), воз­ни­каю­щие при об­лу­че­нии мат­ри­цы пуч­ка­ми час­тиц вы­со­кой энер­гии. При ма­лых кон­цен­тра­ци­ях (до 4–5 ат %) ио­ны ак­ти­ва­то­ра за­ме­ща­ют оп­ре­де­лён­ные ио­ны кри­стал­лич. мат­ри­цы и ли­ния уси­ле­ния од­но­род­но уши­ре­на. Даль­ней­ший рост их кон­цен­тра­ции сни­жа­ет ко­эф. уси­ле­ния за счёт из­ме­не­ния ло­каль­но­го по­ля в мес­тах рас­по­ло­же­ния при­ме­си. В аморф­ных мат­ри­цах в ре­зуль­та­те это­го эф­фек­та по­ло­са уси­ле­ния ак­тив­ной сре­ды уши­ре­на не­од­но­род­но до 100 см^–1. При силь­ной свя­зи ак­ти­ва­то­ра с мат­ри­цей по­ло­са уси­ле­ния столь ши­ро­ка (до 1000 см^–1), что по­зво­ля­ет реа­ли­зо­вать пе­ре­страи­вае­мые по час­то­те ла­зе­ры. Дос­то­ин­ст­во Т. л. – вы­со­кая кон­цен­тра­ция ио­нов ак­ти­ва­то­ра (10²⁰–10²¹ см³) за счёт плот­ной упа­ков­ки ато­мов в мат­ри­це.

В Т. л. ис­поль­зо­ва­лись разл. ак­тив­ные сре­ды, од­на­ко наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли ла­зе­ры на не­сколь­ких ти­пах мат­риц (ит­трие­вые, га­до­ли­ние­вые гра­на­ты и др.), на фос­фат­ных и си­ли­кат­ных ла­зер­ных стёк­лах (сверх­мощ­ные сис­те­мы для ла­зер­но­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за, во­ло­кон­ные ла­зе­ры), на ти­тан-сап­фи­ре, на фто­ри­де ли­тия и др. В ак­тив­но-не­ли­ней­ных кри­стал­лах мат­ри­ца иг­ра­ет роль не­ли­ней­ной сре­ды, а при­ме­си РЗЭ обес­пе­чи­ва­ют ла­зер­ные свой­ст­ва. В та­ких сре­дах од­но­вре­мен­но про­ис­хо­дит ла­зер­ная ге­не­ра­ция из­лу­че­ния и не­ли­ней­ное пре­об­ра­зо­ва­ние его час­то­ты (т. н. са­мо­пре­об­ра­зо­ва­ние час­то­ты).

Т. л. со­дер­жит уси­ли­тель (ак­тив­ную сре­ду), ис­точ­ник энер­гии (на­кач­ка) и цепь об­рат­ной свя­зи – оп­тич. ре­зо­на­тор (обыч­но мно­го­лу­че­вые ин­тер­фе­ро­мет­ры Фаб­ри – Пе­ро, Май­кель­со­на и др.). Для оп­ре­де­лён­ных кон­фи­гу­ра­ций све­то­во­го по­ля и длин волн (по­пе­реч­ные и про­доль­ные мо­ды) об­рат­ная связь по­ло­жи­тель­на и воз­ни­ка­ют ус­ло­вия для ге­не­ра­ции из­лу­че­ния. Ко­эф. уси­ле­ния обыч­но по­вы­ша­ют уве­ли­чи­вая дли­ну ак­тив­ной сре­ды и/или доб­рот­ность ре­зо­на­то­ра. Ди­фракц. по­те­ри при этом мо­гут быть сни­же­ны за счёт пол­но­го внутр. от­ра­же­ния (во­ло­кон­ные, мо­но­лит­ные и слэб-ла­зе­ры). Спек­траль­ная се­лек­тив­ность ре­зо­на­то­ра при этом рас­тёт. В Т. л. для оп­тич. на­кач­ки обыч­но при­ме­ня­ют га­зо­раз­ряд­ные и ду­го­вые лам­пы, мощ­ные ла­зер­ные дио­ды. Т. л. с ди­од­ной на­кач­кой име­ют боль­шую эф­фек­тив­ность (кпд 15–20%). На­кач­ка фор­ми­ру­ет в ио­нах ак­ти­ва­то­ра не­рав­но­вес­ное рас­пре­де­ле­ние на трёх ли­бо че­ты­рёх уров­нях; обыч­но ис­поль­зу­ет­ся ин­верс­ное рас­пре­де­ле­ние на­се­лён­но­стей на двух уров­нях – на т. н. ра­бо­чем пе­ре­хо­де.

Т. л. мо­гут ра­бо­тать в не­пре­рыв­ном ре­жи­ме, а так­же в ре­жи­мах сво­бод­ной ге­не­ра­ции, мо­ду­ля­ции доб­рот­но­сти и син­хро­ни­за­ции мод (не­пре­рыв­ная и им­пульс­ная на­кач­ка). Два по­след­них ре­жи­ма по­зво­ля­ют ге­не­ри­ро­вать ко­рот­кие (100 пс – 100 нс) и сверх­ко­рот­кие (10 фс – 10 пс) ла­зер­ные им­пуль­сы и соз­да­вать в об­лу­чае­мых ми­ше­нях экс­тре­маль­но не­рав­но­вес­ные со­стоя­ния. При син­хро­ни­за­ции мод обыч­но ис­поль­зу­ют­ся ак­тив­ные сре­ды с силь­ной свя­зью ак­ти­ва­то­ра с мат­ри­цей (ти­тан-сап­фир, кри­стал­лы с цен­тра­ми ок­ра­ски), од­на­ко при­ме­ня­ют и ак­тив­ные сре­ды на ос­но­ве стё­кол (во­ло­кон­ные ла­зе­ры).

Для реа­ли­за­ции пе­ре­строй­ки по час­то­те, ре­жи­мов мо­ду­ля­ции доб­рот­но­сти и син­хро­ни­за­ции мод в ре­зо­на­тор вво­дят до­пол­нит. диа­фраг­мы, те­ле­ско­пич. сис­те­мы, дис­пер­си­он­ные эле­мен­ты (приз­мы, ди­фрак­ци­он­ные ре­шёт­ки, ин­тер­фе­ро­мет­ры), элек­тро­оп­тич. и аку­сто­оп­тич. мо­ду­ля­то­ры, пас­сив­ные (са­мо­про­свет­ляю­щие­ся) за­тво­ры на на­сы­щаю­щих­ся по­гло­ти­те­лях (кра­си­те­ли, уг­ле­род­ные на­нот­руб­ки, гра­фен) ли­бо на мно­го­слой­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых зер­ка­лах. Вво­дят и др. не­ли­ней­ные эле­мен­ты, по­зво­ляю­щие по­лу­чить за­дан­ные ха­рак­те­ри­сти­ки пуч­ка/им­пуль­са вы­ход­но­го из­лу­че­ния.