Лазерные кристаллы Играют важнейшую роль в развитии современных лазерных технологий, выступая в качестве основной среды для генерации и усиления лазерного излучения. Эти специально разработанные кристаллы находят широкое применение в самых разных областях: от научных исследований до промышленного производства. В этой статье мы подробно рассмотрим принцип работы лазерных кристаллов, их различные типы и их важнейшую роль в получении когерентного света, а также рассмотрим научные основы их работы как в твердотельных, так и в нелинейных лазерных системах.

1. Что такое лазерные кристаллы?

Лазерные кристаллы — это тип оптических кристаллов, которые служат активной средой, необходимой для усиления света в твердотельных лазерах. Обычно они легированы определёнными ионами, которые позволяют им излучать свет при возбуждении внешним источником энергии, таким как импульсная лампа или диодный лазер. Лазерные кристаллы являются основным компонентом твердотельных лазеров, которые являются одним из наиболее распространённых типов лазеров в настоящее время.

Принцип действия лазера основан на процессе «индуцированного излучения», впервые описанном Альбертом Эйнштейном. В лазерном кристалле энергия поступает в систему, заставляя электроны в атомах кристалла переходить на более высокий энергетический уровень. Возвращаясь в основное состояние, электроны испускают фотоны (частицы света), и это излучение стимулирует дальнейшее испускание фотонов в цепной реакции. Это приводит к усилению света, что в свою очередь приводит к генерации лазерного луча.

2. Типы лазерных кристаллов

Существует несколько типов лазерных кристаллов, каждый из которых обладает уникальными свойствами, делающими его пригодным для конкретных применений. Вот несколько наиболее распространённых типов:

• Кристаллы YAG (иттрий-алюминиевый гранат): Кристаллы YAG, особенно Nd (YAG, легированный неодимом), широко используются в промышленных и медицинских лазерах. Эти лазерные кристаллы работают на длине волны 1064 нм и обладают высокой эффективностью преобразования энергии в лазерное излучение.
  

• Кристаллы Ti: Кристаллы сапфира, легированного титаном (Ti), известны своим перестраиваемым лазерным диапазоном, охватывающим широкий спектр от 650 нм до 1100 нм. Ti-лазеры часто используются в исследовательских целях для генерации фемтосекундных импульсов.

• Кристаллы YVO4 (ортованадат иттрия): Кристаллы на основе YVO4 идеально подходят для создания лазеров видимого и ближнего инфракрасного диапазона, применяемых в телекоммуникациях и точном приборостроении.

• Кристаллы LBO (триборат лития) и BBO (бета-борат бария): Эти нелин ушные кристаллы Кристаллы LBO и BBO играют ключевую роль в процессах преобразования частоты, таких как генерация второй гармоники (ГВГ), которая удваивает частоту входящего лазерного излучения. Кристаллы LBO и BBO играют ключевую роль в создании мощных лазеров в ультрафиолетовом и видимом диапазонах.
  
  

• Эр:Ыб: Эрбиевые и иттербиевые стеклянные лазеры известны своей эффективностью и применяются в безопасных для глаз приложениях, таких как дальномеры и медицинские процедуры.
  
  

3. Как работают лазерные кристаллы: наука, лежащая в их основе

В основе любой лазерной системы лежит лазерный кристалл, служащий усиливающей средой — материалом, способным усиливать свет посредством процесса вынужденного излучения. Ниже приведено пошаговое описание работы лазерных кристаллов:

1. Поглощение энергии: Сначала лазерный кристалл поглощает энергию из внешнего источника, называемого источником накачки. В качестве источника накачки может использоваться импульсная лампа или диодный лазер. Поглощённая энергия возбуждает атомы внутри кристалла, переводя их электроны в более высокое энергетическое состояние.

2. Инверсия населённости: для достижения лазерного эффекта необходимо условие, известное как инверсия населённости. Это означает, что в возбуждённом состоянии находится больше электронов, чем в состоянии с более низкой энергией. В лазерном кристалле это достигается непрерывной накачкой энергии, создающей условия, необходимые для доминирования процесса вынужденного излучения.

3. Вынужденное излучение: когда возбуждённые электроны возвращаются в основное состояние, они испускают фотоны. Эти испускаемые фотоны стимулируют другие возбуждённые электроны испускать больше фотонов той же длины волны и фазы, что приводит к каскадному эффекту. Излучённый свет усиливается при прохождении через лазерный кристалл.

4. Оптический резонатор: лазерный резонатор, образованный двумя зеркалами, расположенными по обе стороны кристалла, обеспечивает отражение света внутри кристалла. Это дополнительно усиливает свет, увеличивая его интенсивность до порогового значения, необходимого для излучения когерентного лазерного луча.

5. Лазерное излучение: после достаточного усиления свет проходит через одно из частично прозрачных зеркал, создавая лазерный луч. Длина волны испускаемого лазерного света определяется типом легирующей примеси в лазерном кристалле.

4. Нелинейные кристаллы и их роль в лазерных системах

Нелинейные кристаллы, такие как LBO и BBO, широко используются в лазерных системах для изменения частоты генерируемого лазерного излучения. Эти кристаллы обладают нелинейными оптическими свойствами, что означает, что выходной свет кристалла не является просто отражением входного света.

Одним из наиболее известных процессов в нелинейной оптике является генерация второй гармоники (ГВГ), при которой лазерный кристалл принимает входящий свет и удваивает его частоту. Этот метод широко используется для получения зелёного и синего лазерного излучения из инфракрасных источников. Например, лазер с длиной волны 1064 нм, генерируемый неодимовым кристаллом

Другой процесс — оптическое параметрическое усиление (OPA), которое используется для генерации перестраиваемых частот лазера путем объединения двух длин волн света в нелинейном кристалле.

5. Применение лазерных кристаллов

Лазерные кристаллы нашли применение в самых разных отраслях промышленности и науки. Вот некоторые из основных областей применения:

• Медицинские лазеры: Неодимовые лазеры широко используются в хирургических процедурах, включая офтальмологию и дерматологию. Они также незаменимы в косметических процедурах, таких как удаление татуировок и лазерная эпиляция.
  
• Промышленное производство: Лазерная резка, сварка и гравировка осуществляются с помощью высокоэнергетических лазеров с использованием кристаллов YAG и Ti.
  
• Научные исследования: В лабораториях лазеры на основе кристаллов Ti используются для генерации сверхкоротких импульсов света, которые имеют решающее значение для изучения молекулярной динамики и высокоскоростных процессов.
  

• Телекоммуникации: кристаллы YVO4 используются в телекоммуникационных системах для создания мощных лазеров, передающих данные по оптоволокну.

• Оборона и аэрокосмическая промышленность: лазерные системы дальномера и наведения часто используют лазеры на стекле, легированном эрбием, из-за их безопасных для глаз свойств.
  
  

6. Факторы, влияющие на характеристики лазерных кристаллов

На производительность и эффективность лазерных кристаллов могут влиять несколько факторов, в том числе:

• Чистота кристалла: Примеси в кристалле могут повлиять на его способность усиливать свет. Для оптимальной работы лазера необходимы кристаллы высокой чистоты.

• Уровень легирования: Концентрация ионов легирующей примеси в кристалле должна тщательно контролироваться. Слишком большое или слишком малое количество легирующей примеси может повлиять на эффективность лазера.

• Управление температурой: Лазеры выделяют тепло во время работы, и это тепло может повлиять на производительность кристалла. Эффективные системы охлаждения необходимы для поддержания стабильной работы.

• Покрытие и полировка: Качество поверхности кристалла влияет на его взаимодействие с лазерным резонатором. Точная полировка и антибликовые покрытия имеют решающее значение для минимизации потерь.