ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

СТЕКЛО С НЕОДИМОМ

Как уже было отмечено, в переходах иона Nd3+ участвуют три электрона, принадлежащие оболочке 4/, которые экранируются восемью внешними электронами (5s и 5р). Следовательно, энергетические уровни в стекле с не­одимом приблизительно такие же, как и у Nd:YAG. Таким образом, наибо­лее интенсивный лазерный переход осуществляется приблизительно с той же длиной волны (к = 1,054 мкм для фосфатного стекла, см. табл. 9.3). Одна­ко в стекле, вследствие неоднородного уширения, обусловленного локаль­ными неоднородностями кристаллического поля стеклянной матрицы, ли­нии лазерных переходов оказываются намного шире. В частности, основной лазерный переход с длиной волны к= 1,054 мкм приблизительно в 40 раз шире, чем в кристалле Nd: YAG, в то время как максимальное сечение пере­хода оказывается меньше (примерно в 7 раз). Разумеется, более широкая линия благоприятна для работы в режиме синхронизации мод, и, в самом деле, лазер на стекле с неодимом, возбуждаемый импульсным лазерным дио­дом и работающий в режиме пассивной синхронизации мод, способен фор­мировать ультракороткие импульсы (~100 фс). С другой стороны, меньшее сечение оказывается предпочтительнее для мощных импульсных систем, поскольку пороговая инверсия для паразитного процесса У СИ (усиление спон­танного излучения) (см. выражение (2.9.4)) соответственно возрастает. Та­ким образом, в стекле с неодимом до включения УСИ в единичном объеме может быть запасено больше энергии по сравнению с кристаллом Nd:YAG (см. пример 2.13). Также следует отметить, что стекло, благодаря меньшей температуре плавления, изготовить значительно легче, чем YAG, и, таким образом, можно сделать активную среду значительно больших размеров. И на­конец, поскольку полосы поглощения в стекле с неодимом также намного шире, чем у Nd: YAG, а концентрация ионов Nd 3+ в стекле обычно вдвое боль­ше, то эффективность ламповой накачки стержня из стекла с неодимом ока­зывается приблизительно в 1,6 раза больше, чем в стержне из Nd:YAG тех же размеров (см. табл. 6.1). Наравне с преимуществами стекла с неодимом по сравнению с кристаллом Nd: YAG необходимо отметить и недостатки, обу­словленные меньшей теплопроводностью стекла (приблизительно в 10 раз меньше, чем у Nd: YAG). Это существенно ограничивает применение лазеров на стекле с неодимом — в основном импульсными системами с низкой часто­той повторения импульсов (< 5 Гц), чтобы избежать проблем, связанных с нагревом активного вещества (стержня или пластины).[45]

Как уже упоминалось выше, лазеры на стекле с неодимом обычно ис­пользуются в тех приложениях, для которых импульсный лазер должен работать при низкой частоте повторения импульсов. Это, например, необ­ходимо для некоторых дальномеров, применяемых в военных целях, и не­одимовых лазеров, предназначенных для решения научных задач. Важ­ным применением лазеров на стекле с неодимом является использование их в качестве усилителей в лазерных системах для получения очень высокой энергии (например, в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу). Системы, основанные на усилителях с неодимовым стеклом, уже реально созданы в некоторых странах, самая большая находится в США (Nova-ла­зер, Ливерморовская национальная лаборатория им. Лоренса, США) и по­зволяет формировать импульсы с пиковой мощностью более 100 ТВт и пол­ной энергией около 100 кДж, Атр = 1 не). Этот лазер состоит из нескольких усилителей на основе стекла с неодимом, самый большой из которых пред­ставляет собой стеклянный диск (см. рис. 6.36) толщиной около 4 см и диа­метром около 75 см. Лазерная установка «NIF» по изучению термоядерных реакций (Ливерморовская национальная лаборатория им. Лоренса) позво­ляет получить импульсы гораздо большей энергии (около 10 МДж), и похо­жие системы, позволяющие получить на выходе приблизительно такую же энергию (около 2 МДж), сейчас строятся в США и во Франции.