ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ЕКгУАв И УВ:ЕК ЛАЗЕРЫ

Эрбиевый лазер может генерировать излучение либо на длине волны X = 2,94 мкм (для кристалла Ег: УАХх), либо на длине волны X = 1,54 мкм (для материала УЬ:Ег на стекле) [11], то есть позволяет работать в спектральном диапазоне, весьма интересном с точки зрения медицинских и биологических приложений, особенно там, где наиболее важным оказывается критерий безо­пасности для зрения человека, а также возможность работы в третьем окне прозрачности оптических волокон.

В материале Ег:УАО ион Ег3+ замещает ион У3+ в кристаллической ре­шетке. Соответствующие уровни энергии представлены на рис. 9.4а. Лазер­ная генерация имеет место либо на переходе 41п/2 -> 4Лз/2 = 2,94 мкм) [12],

Либо на переходе 4/13/2 -> 41ь/2 (^ = 1>64 мкм). В силу своей привлекательно­сти в плане биомедицинских приложений Ег:УАО лазеры, работающие на длине волны X = 2,94 мкм, весьма успешно развиваются в последнее время. При возбуждении кристалла ЕпУАХт с помощью импульсной лампы накач­ка верхнего лазерного уровня 41х 1/2 осуществляется через поглощение света на переходе с длиной волны менее 600 нм. При диодной накачке использует­ся лазерный диод, длина волны излучения которого составляет Х = 970нМ (ХпОаАв/СаАв лазер на квантовых ямах). Время жизни верхнего состояния (около 0,1 мс) оказывается намного меньше, чем у нижнего состояния (око*

9/2

Ло 2 мс), и по этой причине такой лазер, как правило, работает в импульсном режиме. Тем не менее, можно обеспечить работу этого лазера и в непрерыв­ном режиме (особенно в случае диодной накачки) и при обычных условиях. Это возможно благодаря тому, что в силу большой концентрации ионов Ег (10-50 ат. %) в кристалле имеет место сильное ион-ионное (Ег3+ - Ег3+) взаи­модействие, приводящее К появлению перехода 4/х3/2 —> 4/9/2 с повышением частоты излучения, так называемый ап-конверсионный эффект (ир-конвер - сионный эффект, или ап-конверсионная накачка), см. рис. 2.13в. Этот про­цесс, в конечном счете, приводит к повторному переносу энергии с нижнего 4/13/2 уровня на верхний уровень 4/ц/2*

При накачке импульсной лампой размеры стержня выбираются пример­но такими же, как и в случае N(1: УАО лазера, например диаметр 6 мм и дли­на 7,5 см. При этом обычно используются схемы с одноэллипсным осветите­лем или с близким расположением лампы и кристалла (см. рис. 6.1). Энер­гия импульсной лампы накачки Ег:УАО лазера, как правило, не превышает 1Дж в схемах с частотой повторения импульсов до 10 Гц. Благодаря тому, что вода очень сильно поглощает излучение на длине волны -2,94 мкм, ЕпУАО лазер с ламповой накачкой представляет значительный интерес для биомедицинских применений и особенно для пластической хирургии. Как известно, тело человека приблизительно на 70% состоит из воды, при этом излучение с длиной волны около 2,94 мкм (излучение Ег:УАО лазера) про­никает в кожу человека на глубину примерно 5 мкм. Появившиеся в послед­нее время высокоэффективные Ег: У1Л? лазеры с диодной накачкой (кванто­вая эффективность ~35%), генерирующие на длине волны X = 2,8 мкм, обес­печивают в непрерывном режиме выходную мощность более 1 Вт.

Соответствующие уровни энергии УЬ:Ег лазера на фосфатном стекле пред­ставлены на рис. 9.46. Накачка в таком лазере может осуществляться либо импульсной лампой [13], либо непрерывным лазерным диодом [14], при этом генерация происходит на переходе 4/13/2 -> 4Аб/2 (длина волны X = 1,54 мкм). Для Ег лазеров с длиной волны 1,54 мкм уровень концентрации ионов Ег дол­жен быть низким, для того чтобы избежать возникновения нежелательного в Р*Ом случае ап-конверсионного эффекта, описанного выше. Следовательно,
коэффициент поглощения Er, как с ламповой, так и с диодной накачкой, ока­зывается очень низким, и, таким образом, для увеличения эффективности накачки (или поглощения накачки) необходимо дополнительное легирова­ние ионами Yb3+ (или ионами Сг3+ при ламповой накачке). В случае диодной накачки на длине волны 980 нм энергия накачки поглощается в основном ионами Yb3+ (переход 2F1/2 -> 2F5/2), и затем возбуждение переносится на уро­вень 4/ц/2 атома Er за счет ферстеровского диполь-дипольного взаимодейст­вия (см. раздел 2.6.1). Далее, за счет механизмов многофотонной релакса­ции атом Er с уровня 4/11/2 достаточно быстро релаксирует (т = 0,1 мс) на верх­ний лазерный уровень 4113/2. Время жизни этого уровня в фосфатных стеклах очень большое (т = 8 мс), что делает этот уровень наиболее подходящим для лазерной генерации. Следует отметить, что пик линии усиления для среды Er-стекло лишь незначительно смещен в сторону увеличения длины волны (стоксово смещение), по сравнению с пиком линии поглощения, причем обе эти спектральные линии обусловлены переходами между полосами 4/i3/2 и 4115/2* Таким образом, Yb:Er лазер на стекле работает практически по трех­уровневой схеме. Другие спектроскопические и оптические характеристики этого лазера представлены в табл. 9.4.

В настоящее время Cr:Yb:Er лазеры на стекле, использующие ламповую накачку и работающие в режиме модуляции добротности, нашли широкое применение в безопасных для глаз устройствах лазерной дальнометрии. Дей­ствительно, излучение с длиной волны 1,5 мкм оказывается наиболее безопас­ным для глаза человека [15]. Непрерывные Yb:Er лазеры на стекле, исполь­зующие диодную накачку, находят применение в устройствах оптической свя­зи и в бесконтактных, безопасных для зрения измерительных устройствах.