Что такое твердотельный лазер, виды, устройство и принцип работы

• Что такое твердотельный лазер?
• Виды твердотельных лазеров
• Устройство лазера
• Принцип работы твердотельного лазера
• Развитие твердотельных лазеров 

Что такое твердотельный лазер?

Твердотельный лазер - это тип устройства, в котором в качестве активной среды или среды усиления используется твердый материал. Среда усиления представляет собой кристалл или стекло, легированное ионами редкоземельных или переходных металлов. Когда к среде усиления подводится энергия посредством оптической накачки, ионы возбуждаются и испускают фотоны света с одинаковой длиной волны и фазой.

Твердотельные лазеры способны создавать узкий, интенсивный луч света с высокой выходной мощностью и стабильностью. Они широко используются в промышленности, медицине и науке, например, для резки и сварки материалов, лечения заболеваний кожи и изучения свойств материалов.

Определенные атомы, находясь в кристалле, возбуждаются светом от внешнего источника, производя лазерное действие. Кристалл представляет собой цилиндрический стержень, который при установке в оптический резонатор приводит к созданию простого и универсального лазера. Наиболее распространенным представителем семейства твердотельных лазеров является неодимовый лазер.

Стекло и иттриево-алюминиевый гранат (YAG) являются распространенными материалами для неодимового твердотельного лазера. Наиболее известные альтернативы YAG включают фторид иттрия-лития (YLiF4), известный под аббревиатурой YLF, среды на основе оксида вольфрама и кристаллы сапфира, обычно легированные частицами титана. Эти лазеры генерируют различные длины волн, как указано ниже.

Для источника накачки также доступны различные варианты, выбор которых сильно влияет на характеристики лазера. В коммерческих целях используются непрерывные дуговые лампы, импульсные лампы-вспышки и диодные лазеры. Твердотельные лазеры могут генерировать непрерывные лучи мощностью от нескольких милливатт до нескольких кВт, короткие импульсы с пиковой мощностью в гигаваттном диапазоне или импульсные лучи со средней мощностью в кВт.

Принадлежности для этих лазеров могут смещать выходную длину волны из ближней инфракрасной области в видимую (умножение частоты) или генерировать импульсы высокой энергии и малой длительности (переключение добротности или блокировка режимов).

С дополнительным преимуществом доставки луча по оптоволокну, достаточно очевидно, почему Nd:YAG (в частности) лазер играет такую важную роль в отраслях по обработке материалов. 

 Рис. 1. Конструкция (схема) твердотельного лазера. На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — система накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Виды твердотельных лазеров

•  титан-сапфировый лазер;
•  алюмо-иттриевый лазер с легированием иттербием (Yb:YAG-лазер);
•  волоконный лазер с легированием эрбием;
• лазер на фториде иттрия-лития с легированием неодимом (Nd:YLF-лазер);
• лазер на ванадате иттрия (YVO4) с легированием неодимом (Nd:YVO-лазер);
• лазер на александрите с легированием хромом (александритовый лазер);
• лазеры на халькогенидах цинка/кадмия, легированных переходными металлами (хромом,железом);
• алюмо-иттриевый лазер с легированием гольмием (Ho:YAG-лазер);
• лазер на неодимовом стекле (Nd:Glass-лазер);
• титан-сапфировый лазер;
• алюмо-иттриевый лазер с легированием тулием (Tm:YAG-лазер);
• алюмо-иттриевый лазер с легированием иттербием (Yb:YAG-лазер).

Особенное распространение получили активаторы для материалов — это ионы Ned3+. Большое применение в технике и науке находят лазеры, основой которых является фосфатные и силикатные стекла с неодимом, преобразующие излучение в районе 1,05 мкм. Использование лазеров на основе таких стекол позволяет создать более мощный импульс.

Устройство лазера 

Твердотельный лазер состоит из двух основных компонентов, или " блоков". Один компонент содержит оптику (светящийся кристалл и зеркала), а другой - электронику (источник питания, внутренние элементы управления). Иногда эти два компонента интегрированы в одну коробку. Накачка энергии в активную среду лазера производится видимым светом или инфракрасным излучением.  Основные элементы лазера представляют собой:

• активная среда (создаются состояния с инверсией населенности);
• система накачки (устройство для создания инверсии в активной среде);
• оптический резонатор (устройство, которое формирует выходящий пучок фотонов).

На рис. 1 показана схема твердотельного Nd:YAG-лазера с диодной накачкой, который обеспечивает более высокую эффективность благодаря почти идеальной длине волны накачки лазерного диода GaAs (0,8 мкм) и меньшим размерам. Эффективность Nd:YAG лазера с диодной накачкой (стеновая пробка) может достигать 10% по сравнению с обычно 2-3% эффективностью лазеров с ламповой накачкой.

Рис. 2. Схема твердотельного Nd:YAG лазера с диодной накачкой

Принцип работы твердотельного лазера 

Твердотельные лазеры используют стержень из твердого кристаллического материала, концы которого отполированы параллельно и покрыты зеркалами для отражения лазерного света. Ионы взвешены в кристаллической матрице и испускают электроны при возбуждении.

Боковые стороны стержня остаются свободными, чтобы пропускать свет лампы накачки, которая может быть импульсным газовым разрядом, создающим мигающий свет. В первом твердотельном лазере использовался стержень из розового рубина и искусственный кристалл сапфира. Два распространенных твердотельных лазеров, используемых сегодня, - Nd:YAG (неодим:иттрий-алюминиевый гранат) и Nd:стекло. Оба используют криптоновые или ксеноновые лампы-вспышки для оптической накачки. Можно получить яркие вспышки света мощностью до тысячи ватт, а срок службы составляет около 10 000 часов.

Лазерное излучение может быть сфокусировано в точное пятно большой интенсивности, небольшой импульсный лазер может генерировать достаточно тепла для испарения различных материалов. Таким образом, лазеры используются в различных процессах удаления материалов, включая механическую обработку. Например, рубиновые лазеры используются для сверления отверстий в алмазах,  для волочения проволоки и в сапфирах для часовых подшипников.

Развитие твердотельных лазеров 

Одной из последних разработок в твердотельных лазерах является тонкий дисковый лазер, который недавно стал коммерчески доступным с мощностью до 1 кВт. Активная среда в этом лазере состоит из кристалла YAG, легированного иттербием, излучающего на длине волны 1030 нм. Активная среда имеет форму тонкого диска, а не стержня, что улучшает рассеивание тепла и уменьшает эффект "тепловой линзы". В результате улучшается качество луча.

Еще одна выдающаяся недавняя разработка в области твердотельных лазеров - волоконный лазер. В одном из примеров такого лазера оптическое волокно, легированное иттербием, накачивается диодным лазером, однако существует несколько различных конструкций и технологий облицовки волокна, которые конкурируют на рынке обработки материалов. Мощность около 1 кВт была достигнута в одномодовой конфигурации и до 10 кВт в многомодовой, путем объединения лучей от нескольких отдельных лазеров. Эффективность настенной установки обычно превышает 20%.

Твердотельным лазером делают высококачественную резку и сварку металлических изделий. Применяют в новых технологиях электронных приборов, в медицине, оптической обработке информации. 

Расходимость пучков неодимовых лазеров с ламповой накачкой обычно составляет несколько миллирадиан при диаметре пучков в несколько мм. Для лазеров с диодной накачкой расходимость пучка обычно меньше, как и диаметр пучка, что обусловлено использованием стержней меньшего диаметра. В таблице ниже показано сравнение типичных качеств луча для различных коммерчески доступных технологий твердотельных лазеров при мощности 1 кВт. В ближней инфракрасной области в качестве пропускающих оптических элементов используются стекло, плавленый кварц и кварц. Отражающими зеркалами могут быть полированная медь или стеклянные подложки с соответствующим покрытием.

В целях сравнения показатели качества луча в этой таблице приведены при мощности 1 кВт. Для некоторых из этих лазеров доступны более высокие мощности, но с пониженным качеством луча.

Разрабатываются твердотельные лазеры, обладающие большей мощностью, скоростью, меньшей длиной волны и лучшим качеством луча, что расширяет возможности их применения. Например, разрабатываются материалы, которые смогут сжимать миллиарды импульсов в одну секунду, что приведет к созданию фемтосекундных лазеров, обеспечивающих десятки импульсов в каждую наносекунду. Твердотельные лазеры, которые могут обеспечить мощность на уровне тера- или петаватта, также тестируются для производства ядерных реакций, с возможностью использования в медицине, например, при компьютерном сканировании. Nd:YAG-лазеры применяются в промышленности для сверления, пайки и обрезки.