3.1.2.1. Твердотельные лазеры

В качестве рабочих тел твердотельных лазеров используют кристаллы, стекло и полупроводники. Наибольшее применение нашли такие кристаллы, как алюмоиттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Сплошной материал активируется добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Самые распространенные варианты: Nd-YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr-LiSAF), Er-YLF и Nd-glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры на кристаллах и стекле обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

Первый в мире оптический квантовый генератор был создан в 1960 г. Т.Мейманом – это был твердотельный рубиновый лазер. Схема такого лазера показана на рисунке 3.3.

Рис.3.3. Схема рубинового лазера

Активная среда - рубин представляет собой оксид алюминия с встроенными в решетку ионами хрома (концентрация Cr+3 - 0,05%). Оба конца рубинового стержня покрыты отражающими слоями, причем слой с одного конца выполнен полупрозрачным. Активация рабочего тела производится импульсной лампой. После многократных отражений в оптическом резонаторе, образованном зеркалами и рубиновым стержнем происходит усиление излучения и образуется мощный когерентный пучок с длиной волны 694,3 нм, с плоским фронтом, двигающимся вдоль оси кристалла и выходящим через полупрозрачное зеркало. Лазер на кристалле рубина длиной 20-25 см и диаметром 1,5 см при накачке с помощью светового импульса длительностью 10-3 с излучает в течение времени такого же порядка импульс мощностью 1 кВт.

Лазеры на других кристаллах, созданные в последние годы, имеют меньший порог возбуждения и обеспечивают более высокий к.п.д. устройства, а также выдерживают без разрушения значительные тепловые нагрузки в случае импульсов высокой частоты. В целом  к.п.д. твердотельных лазеров колеблется в интервале от 0,01 до 4%.

К твердотельным лазерам относятся также лазеры на полупроводниках (например, арсениде галлия). Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков, лазерные указки и т.п.