Твердотельный лазер - Solid-state laser

Твердотельный лазер является лазером , который использует усиливающую среду , которая представляет собой твердое вещество , а не жидкости , как и в лазерах на красителях или газа , как и в газовых лазерах . Лазеры на основе полупроводников также находятся в твердом состоянии, но обычно рассматриваются как отдельный класс от твердотельных лазеров (см. Лазерный диод ).

Твердотельные носители

Дополнительная информация: Список типов лазеров § Твердотельные лазеры

Обычно активная среда твердотельного лазера состоит из стекла или кристаллического «основного» материала, к которому добавляется « легирующая примесь », такая как неодим , хром , эрбий , тулий или иттербий . Многие из распространенных легирующих примесей являются редкоземельными элементами , поскольку возбужденные состояния таких ионов не сильно связаны с тепловыми колебаниями их кристаллических решеток ( фононов ), и их рабочие пороги могут быть достигнуты при относительно низких интенсивностях лазерной накачки .

Существует много сотен твердотельных сред, в которых достигнуто лазерное воздействие, но относительно небольшое их количество широко распространено. Из них, вероятно, наиболее распространенным является иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd: YAG). Стекло, легированное неодимом (Nd: стекло), стекла или керамика, легированные иттербием , используются при очень высоких уровнях мощности ( тераватт ) и высоких энергиях ( мегаджоули ) для многолучевого термоядерного синтеза с инерционным ограничением .

Первым материалом для лазеров были кристаллы синтетического рубина . Рубиновые лазеры по-прежнему используются в нескольких приложениях, но они не распространены из-за их низкой энергоэффективности. При комнатной температуре рубиновые лазеры излучают только короткие импульсы света, но при криогенных температурах они могут излучать непрерывную серию импульсов.

Некоторые твердотельные лазеры также можно настраивать с помощью нескольких внутрирезонаторных методов, в которых используются эталоны , призмы и решетки или их комбинация. Сапфир, легированный титаном , широко используется благодаря широкому диапазону настройки от 660 до 1080 нанометров . Александритовые лазеры настраиваются 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 .

Насосная

Дополнительная информация: Лазерная накачка

Твердотельные лазерные среды обычно имеют оптическую накачку с использованием либо импульсной лампы, либо дуговой лампы , либо лазерных диодов . Твердотельные лазеры с диодной накачкой имеют тенденцию быть намного более эффективными и стали гораздо более распространенными, поскольку стоимость мощных полупроводниковых лазеров снизилась.

Блокировка режима

Синхронизация мод твердотельных лазеров и волоконных лазеров имеет широкое применение, поскольку могут быть получены сверхкороткие импульсы большой энергии. В качестве фиксаторов режимов широко используются два типа насыщающихся поглотителей: SESAM и SWCNT. Также использовался графен . Эти материалы используют нелинейное оптическое поведение, называемое насыщающимся поглощением, чтобы лазер генерировал короткие импульсы.

Текущие приложения и разработки

Твердотельные лазеры разрабатываются в качестве дополнительного вооружения для F-35 Lightning II и достигают почти рабочего состояния, как и внедрение системы лазерного оружия Northrop Grumman FIRESTRIKE. В апреле 2011 года ВМС США испытали твердотельный лазер высокой энергии. Точная дальность стрельбы засекречена, но они сказали, что она стреляла «на мили, а не на ярды».

Уран - легированный фторид кальция был вторым типом твердотельного лазера изобретен в 1960 - х годах. Петр Сорокин и Мирек Стивенсон в IBM «ы лабораторий в Йорктаун Хайтс (США) достигли генерации на 2,5 мкм вскоре после майман » ы рубинового лазера .

Армия США готовится испытать установленную на грузовике лазерную систему с использованием волоконного лазера мощностью 58 кВт. Масштабируемость лазера открывает возможность его использования на всем, от дронов до массивных кораблей с разной мощностью. Новый лазер направляет в свой луч 40 процентов доступной энергии, что считается очень высоким показателем для твердотельных лазеров. Поскольку все больше и больше военных транспортных средств и грузовиков используют передовые гибридные двигатели и силовые установки, вырабатывающие электроэнергию для таких приложений, как лазеры, их применение, вероятно, будет распространяться на грузовики, дроны, корабли, вертолеты и самолеты.

Смотрите также

использованная литература

  • Кехнер, Вальтер (1999). Твердотельная лазерная техника (5-е изд.). Springer. ISBN   978-3-540-65064-5 .