Твердотельный лазер

— Твердотельный лазер это лазер , в котором используется усиливающая среда , а твердая не жидкость , как в лазерах на красителях , или газ, как в газовых лазерах . ^{[ 1 ]} Лазеры на основе полупроводников также находятся в твердом состоянии, но обычно рассматриваются как отдельный класс от твердотельных лазеров, называемых лазерными диодами .

Твердотельные носители

Обычно активная среда твердотельного лазера состоит из стекла или кристаллического «основного» материала, к которому добавлена « легирующая добавка », такая как неодим , хром , эрбий , ^{[ 2 ]} тули ^{[ 3 ]} или иттербий . ^{[ 4 ]} Многие из распространенных примесей являются редкоземельными элементами , поскольку возбужденные состояния таких ионов не сильно связаны с тепловыми колебаниями их кристаллических решеток ( фононами ), и их рабочие пороги могут быть достигнуты при относительно небольших интенсивностях лазерной накачки .

Существуют многие сотни твердотельных сред, в которых достигается лазерное воздействие, но широкое распространение получили относительно немногие типы. Из них, вероятно, наиболее распространенным является иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd:YAG). Стекло, легированное неодимом (Nd:стекло), а также стекла или керамика , легированные иттербием , используются при очень высоких уровнях мощности ( тераватты ) и высоких энергиях ( мегаджоули ) для многолучевого термоядерного синтеза с инерционным удержанием .

Первым материалом, использованным для лазеров, были синтетические кристаллы рубина . Рубиновые лазеры до сих пор используются в некоторых приложениях, но они больше не распространены из-за их низкой энергоэффективности. При комнатной температуре рубиновые лазеры излучают только короткие импульсы света, но при криогенных температурах их можно заставить излучать непрерывную последовательность импульсов. ^{[ 5 ]}

Второй твердотельной усиливающей средой был ураном , легированный фторид кальция . Питер Сорокин и Мирек Стивенсон из IBM лаборатории в Йорктаун-Хайтс (США) экспериментировали с этим материалом в 1960-х годах и добились лазерной генерации на длине волны 2,5 мкм вскоре после Маймана рубинового лазера .

Некоторые твердотельные лазеры можно сделать перестраиваемыми, используя внутрирезонаторные эталоны , призмы , решетки или их комбинацию. ^{[ 6 ]} Сапфир, легированный титаном, широко используется благодаря широкому диапазону настройки: от 660 до 1080 нанометров . Александритовые лазеры перестраиваются от 700 до 820 нм и дают импульсы более высокой энергии, чем титан- сапфировые лазеры, из-за более длительного времени накопления энергии в усиливающей среде и более высокого порога повреждения .

Накачка

Твердотельная лазерная среда обычно накачивается оптически с помощью лампы-вспышки , дуговой лампы или лазерных диодов . ^{[ 1 ]} Твердотельные лазеры с диодной накачкой, как правило, намного более эффективны и стали гораздо более распространенными, поскольку стоимость мощных полупроводниковых лазеров снизилась. ^{[ 7 ]}

Блокировка режима

Синхронизация мод твердотельных лазеров и волоконных лазеров имеет широкое применение, поскольку можно получать сверхкороткие импульсы большой энергии. ^{[ 1 ]} В качестве блокировщиков мод широко используются два типа насыщающихся поглотителей: SESAM, ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} и ОСНТ. графен . Также использовался ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Эти материалы используют нелинейное оптическое поведение, называемое насыщаемым поглощением, заставляющее лазер создавать короткие импульсы.

Приложения

Твердотельные лазеры используются, среди прочего, в исследованиях, лечении и военных целях.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Хеллер, Йорг (1 марта 2022 г.). «Букварь по твердотельным лазерам» . www.techbriefs.com . Медиа группа САЭ . Проверено 7 августа 2022 г.
^ Сингх, Г.; Пурнавирман; Брэдли, JDB; Ли, Н.; Магден, ES; Мореско, М.; Адам, Теннесси; Лик, Г.; Кулбо, Д.; Уоттс, MR (2016). «Волноводные лазеры с резонансной накачкой, легированные эрбием, с использованием распределенных резонаторов брэгговского отражателя» . Оптические письма . 41 (6): 1189–1192. Бибкод : 2016OptL...41.1189S . дои : 10.1364/OL.41.001189 . ПМИД 26977666 .
^ Су, З.; Ли, Н.; Магден, ES; Берд, М.; Пурнавирман; Адам, Теннесси; Лик, Г.; Кулбо, Д.; Брэдли, доктор юридических наук; Уоттс, MR (2016). «Сверхкомпактный и низкопороговый тулиевый микрорезонаторный лазер, монолитно интегрированный на кремнии» . Оптические письма . 41 (24): 5708–5711. Бибкод : 2016OptL...41.5708S . дои : 10.1364/OL.41.005708 . ПМИД 27973495 .
^ З. Су, Дж. Д. Брэдли, Н. Ли, Э. С. Магден, Пурнавирман, Д. Коулман, Н. Фаренкопф, К. Байокко, Т. Адам, Г. Лик, Д. Кулбо, Д. Вермюлен и М. Р. Уоттс (2016). ) «Сверхкомпактный КМОП-совместимый иттербиевый микролазер» , Комплексные исследования в области фотоники, кремния и Нанофотоника 2016 , IW1A.3.
^ «Непрерывная работа твердотельного лазера, раскрытая BTL» (PDF) . Космонавтика : 74. Март 1962.
^ Н. П. Барнс, Твердотельные лазеры на переходных металлах, в Справочнике по настраиваемым лазерам , Ф. Дж. Дуарте (ред.) (Academic, Нью-Йорк, 1995).
^ «Лазеры с диодной накачкой: приложения для повышения производительности и надежности» . photonics.com .
^ Х. Чжан и др., «Индуцированные солитоны, образованные в результате перекрестной поляризационной связи в волоконном лазере с двулучепреломляющим резонатором». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Opt. Lett., 33, 2317–2319. (2008).
^ Д. Я. Тан и др., «Наблюдение векторных солитонов с фиксированной поляризацией высокого порядка в волоконном лазере». Архивировано 20 января 2010 г. в Wayback Machine , Physical Review Letters , 101, 153904 (2008).
^ LM Чжао и др., «Блокировка вращения поляризации векторных солитонов в волоконном кольцевом лазере». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Optics Express , 16,10053–10058 (2008).
^ Х. Чжан; Д.Ю. Тан; Л.М. Чжао; К.Л. Бао; КП Ло (2009). «Синхронизация мод большой энергии волоконного лазера, легированного эрбием, с атомным слоем графена» (PDF) . Оптика Экспресс . 17 (20): 17630–5. arXiv : 0909.5536 . Бибкод : 2009OExpr..1717630Z . дои : 10.1364/OE.17.017630 . ПМИД 19907547 . S2CID 207313024 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 года.
^ Хан Чжан; Цяолян Бао; Динъюань Тан; Люмин Чжао и Кяньпин Ло (2009). «Солитонный волоконный лазер большой энергии, легированный эрбием, с композитным блокировщиком мод из графена и полимера» (PDF) . Письма по прикладной физике . 95 (14): 141103. arXiv : 0909.5540 . Бибкод : 2009ApPhL..95n1103Z . дои : 10.1063/1.3244206 . S2CID 119284608 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 года.
^ «Графен: лазеры с синхронизацией мод» . Материалы НПГ Азия . 21 декабря 2009 г. doi : 10.1038/asiamat.2009.52 .

Кехнер, Уолтер (1999). Твердотельная лазерная техника (5-е изд.). Спрингер. ISBN 978-3-540-65064-5 .

[SAE-1] Jump up to: ^а ^б ^с Хеллер, Йорг (1 марта 2022 г.). «Букварь по твердотельным лазерам» . www.techbriefs.com . Медиа группа САЭ . Проверено 7 августа 2022 г.

[osapublishing.org-2] Сингх, Г.; Пурнавирман; Брэдли, JDB; Ли, Н.; Магден, ES; Мореско, М.; Адам, Теннесси; Лик, Г.; Кулбо, Д.; Уоттс, MR (2016). «Волноводные лазеры с резонансной накачкой, легированные эрбием, с использованием распределенных резонаторов брэгговского отражателя» . Оптические письма . 41 (6): 1189–1192. Бибкод : 2016OptL...41.1189S . дои : 10.1364/OL.41.001189 . ПМИД 26977666 .

[osapublishing.org2-3] Су, З.; Ли, Н.; Магден, ES; Берд, М.; Пурнавирман; Адам, Теннесси; Лик, Г.; Кулбо, Д.; Брэдли, доктор юридических наук; Уоттс, MR (2016). «Сверхкомпактный и низкопороговый тулиевый микрорезонаторный лазер, монолитно интегрированный на кремнии» . Оптические письма . 41 (24): 5708–5711. Бибкод : 2016OptL...41.5708S . дои : 10.1364/OL.41.005708 . ПМИД 27973495 .

[osapublishing.org3-4] З. Су, Дж. Д. Брэдли, Н. Ли, Э. С. Магден, Пурнавирман, Д. Коулман, Н. Фаренкопф, К. Байокко, Т. Адам, Г. Лик, Д. Кулбо, Д. Вермюлен и М. Р. Уоттс (2016). ) «Сверхкомпактный КМОП-совместимый иттербиевый микролазер» , Комплексные исследования в области фотоники, кремния и Нанофотоника 2016 , IW1A.3.

[5] «Непрерывная работа твердотельного лазера, раскрытая BTL» (PDF) . Космонавтика : 74. Март 1962.

[6] Н. П. Барнс, Твердотельные лазеры на переходных металлах, в Справочнике по настраиваемым лазерам , Ф. Дж. Дуарте (ред.) (Academic, Нью-Йорк, 1995).

[7] «Лазеры с диодной накачкой: приложения для повышения производительности и надежности» . photonics.com .

[8] Х. Чжан и др., «Индуцированные солитоны, образованные в результате перекрестной поляризационной связи в волоконном лазере с двулучепреломляющим резонатором». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Opt. Lett., 33, 2317–2319. (2008).

[9] Д. Я. Тан и др., «Наблюдение векторных солитонов с фиксированной поляризацией высокого порядка в волоконном лазере». Архивировано 20 января 2010 г. в Wayback Machine , Physical Review Letters , 101, 153904 (2008).

[10] LM Чжао и др., «Блокировка вращения поляризации векторных солитонов в волоконном кольцевом лазере». Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , Optics Express , 16,10053–10058 (2008).

[H._Zhang,_D._Y._Tang,_L._M._Zhao,_Q._L._Bao,_K._P._Loh_P17630-11] Х. Чжан; Д.Ю. Тан; Л.М. Чжао; К.Л. Бао; КП Ло (2009). «Синхронизация мод большой энергии волоконного лазера, легированного эрбием, с атомным слоем графена» (PDF) . Оптика Экспресс . 17 (20): 17630–5. arXiv : 0909.5536 . Бибкод : 2009OExpr..1717630Z . дои : 10.1364/OE.17.017630 . ПМИД 19907547 . S2CID 207313024 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 года.

[han-12] Хан Чжан; Цяолян Бао; Динъюань Тан; Люмин Чжао и Кяньпин Ло (2009). «Солитонный волоконный лазер большой энергии, легированный эрбием, с композитным блокировщиком мод из графена и полимера» (PDF) . Письма по прикладной физике . 95 (14): 141103. arXiv : 0909.5540 . Бибкод : 2009ApPhL..95n1103Z . дои : 10.1063/1.3244206 . S2CID 119284608 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 года.

[13] «Графен: лазеры с синхронизацией мод» . Материалы НПГ Азия . 21 декабря 2009 г. doi : 10.1038/asiamat.2009.52 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

v т и Твердотельные лазеры
Различные подтипы	Полупроводниковый лазер
Иттрий-алюминиевый гранат	Nd:YAG лазер Er:YAG лазер Nd:Cr:YAG Ыб:ИАГ Nd:Ce:YAG Хо:ЯГ Ди:ИАГ См:ЯГ Тб:ИАГ Ce:YAG Ce:Gd:YAG Б-г:ЯГ
Стекло	Нд: стекло Есть: стекло Er:Yb:стекло Yb: стекло
Другие средства усиления	Рубиновый лазер Иттрий-железный гранат (YIG) Тербий-галлиевый гранат (ТГГ) Ти: сапфировый лазер Твердотельный лазер на красителе (SSDL/SSOL/SSDPL) Фторид лития иттрия (YLF) Фторид лития иттрия, легированный неодимом (Nd:YLF) Ортованадат иттрия (YVO ₄ ) Ортованадат иттрия, легированный неодимом (Nd:YVO ₄ ) Оксоборат иттрия-кальция (YCOB) Nd:YCOB лазер Что: ЛиСАФ Что: LiCAF Кр:ZnSe Вышел: КаФ ₂ См:КаФ ₂ Yb:СФАП
Структуры	Твердотельный лазер с диодной накачкой (DPSL) Волоконный лазер Лазерная фигура-8 Дисковый лазер F-центра Лазер
Специальные лазеры	Трезубец лазер ZEUS-HLONS (Система нейтрализации лазерных боеприпасов HMMWV) Нова (лазер) Циклоп лазер Янус лазер Лазер Аргус Шива лазер HiPER Лаборатория лазерной энергетики Мегаджоульный лазер ЛЮЛИ2000 Ртутный лазер ИСКРА-6 Вулкан лазер Список петаваттных лазеров

v т и Лазеры
List of laser articles List of laser types List of laser applications Laser acronyms
Types of lasers	Chemical laser Dye laser Bubble Liquid-crystal Gas laser Carbon dioxide Excimer Helium–neon Ion Nitrogen Free-electron laser Laser diode Solid-state laser Er:YAG Nd:YAG Raman Ruby Ti-sapphire X-ray laser
Laser physics	Active laser medium Amplified spontaneous emission Continuous wave Laser ablation Laser linewidth Lasing threshold Population inversion Ultrashort pulse
Laser optics	Beam expander Beam homogenizer Chirped pulse amplification Gain-switching Gaussian beam Injection seeder Laser beam profiler M squared Mode locking Multiple-prism grating laser oscillator Optical amplifier Optical cavity Optical isolator Output coupler Q-switching
Category