Наиболее распространены твердотельные активные среды в виде легированных ионами редкоземельных металлов кристаллов, стекол и керамики. Широкое распространение получили среды с трех валентными положительными ионами. Двухвалентные ионы также используются, но только в экзотических лазерах, как правило, с глубоким охлаждением.

В большинстве случаев ион редкоземельного металла замешает ион кристаллической решетки схожего размера и такой же валентности. Например, ионы Nd3+ в кристалле алюмоиттриевого граната замещает ион иттрия Y3+. Концентрация активного элемента в среде в большинстве случаев, составляет лишь малый молярный процент. Однако бывает легированные кристаллы, в которых каждая элементарная ячейка содержит ион активатора. (KYbW).

Характерное свойство трехвалентных ионов активаторов в том, что их электронные переходы обычно происходят внутри уровня 4f, который огражден от решетки среды оптически пассивными внешними электронными уровнями. (исключение – переходы Ce3+). Это снижает влияние решетки среды на длину волны, ширину спектра, сечение перехода.

Редкоземельные элементы включают в себя весь ряд лантанидов, за исключением радиоактивного прометиума, а также скандиума и иттрия. Все активные ионы редкоземельных металлов являются лантанидами, поэтому лазеры на их основе также называют лантанидными.

Ион

Кристаллическая решетка

Ходовые длины волн

Неодим

YAG, YVO, YLF, кварц

1.03-1.1мкм, 0.9-0.95мкм, 1.32-135мкм

Иттербий

YAG, вольфраматы, кварц

1.0-1.1мкм

Эрбий

YAG, кварц

1.5-1.6мкм, 2.7мкм, 0.55мкм

Тулий

YAG, кварц, фторидное стекло

1.7-2.1мкм, 1.45-1.53мкм, 0.48мкм, 0.8мкм.

Гольмий

YAG, YLF, кварц

2.1мкм, 2.8-2.9мкм

Празеодим

Кварц, фторидное стекло

1.3мкм, 0.635мкм, 0.6мкм, 0.52мкм, 0.49мкм

Церий

YLF, LiCAF, LiLuF, LiSAF, прочие фториды

0.28-0.33мкм

Наиболее широкое распространение получили активные среды легированные неодимом и иттрием, а также волокно, легированное эрбием. Прочие редкоземельные ионы: иттрий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, лютеций – не используются в активных средах. Однако иногда их добавляют в качестве сенсибилизатора для подавления популяции на заданном энергетическом уровне (процесс переноса энергии). Также их используют для создания насыщающихся поглотителей или в качестве подложек для оптических компонентов лазерных систем. В качестве среды для легирования наиболее часто используются следующие кристаллические материалы: оксиды (YAG), ванадаты (YVO, GsVO), вольфраматы (KGW, KYW), фториды (YLF, CaF), апатиты (S-FAP, SYS). Стекла, легированные редкоземельными металлами позволяют получить более широкую область перестройки длины волны, боле короткие импульсы при пассивной синхронизации мод. Легированное стекло используется либо в виде цельного куска, либо в виде волокна. Высокое оптическое ограничение в волокнах позволяет получить излучение даже на слабо выраженных лазерных переходах, с малым усилением.

Все лазеры на редкоземельных металлах имеют общее свойство – электронные переходы при накачке и излучении являются слабо разрешенными переходами со слабыми осцилляциями. Поэтому время жизни верхнего энергетического уровня может быть очень длительным (от микросекунд, до миллисекунд), активная среда может аккумулировать большое количество энергии. Это позволяет использовать такие активные среды в режимах модуляции добротности, гигантского импульса, синхронизации мод. Время жизни энергических уровней может уменьшаться из-за фононных переходов. Данный эффект минимален во фторидных волокнах. Однако уменьшение времени жизни нижнего энергетического уровня может быть весьма полезным, увеличивая концентрацию электронов на верхнем излучательном уровне, или на уровне накачки.

Диполь-дипольное взаимодействие приводит к переносу энергии между различными ионами редкоземельных металлов. Например, в волокне, легированном эрбием и иттербием, излучение накачки поглощается в основном иттербием и передается ионам эрбия. Иттербий является сенсибилизатором. Аналогично добавляют церий, в качестве сенсибилизатора неодима в YAG кристаллах.


Неодим – химический элемент, принадлежащий группе Квантовые уровни неодиматрехвалентных редкоземельных металлов, активно используется в качестве активного элемента в кристаллах и стеклах для лазеров. Длина волны накачки для Nd:YAG 808нм. Большая эффективность накачки достигается накачкой на верхний энергетический уровень 4F3/2 излучением 869нм. Наиболее сильный лазерный переход 4F3/2 4I11/2 дает лазерное излучение с длиной волны 1064нм. Внедрение в резонатор дихроических фильтров позволяет в некоторых пределах перестраивать длину волны. Из-за фононных процессов населенность уровней 4I11/2 и 4I15/2 быстро переносится на нижний расщепленный уровень 4I9/2 (высокая скорость процесса обусловлена тем, что время жизни нижних лазерных уровней много меньше верхних). Основной лазерный переход активной среды на неодиме описывается стандартной четырехуровневой системой. Однако если нижний лазерный уровень совпадает с уровнем накачки 4I9/2, то активная среда является квази-трехуровневой, длина волны перехода 4F3/2 4I9/2 - 946нм. Такой лазерный переход может перестраиваться в пределах 900-1000нм и имеет очень высокий порог мощности накачки. При высокой плотности населенности, например в режиме модуляции добротности, также при работе на слабых излучательных переходах, большая часть энергии теряется при переносе электронов на более высокие энергетические уровни с малыми временами жизни.

Широко распространенны активные среды на неодиме:

  • Nd:YAG – классический выбор для излучения 1064, также используется переходы 946нм, 1319нм, изотропный материал с хорошей теплопроводностью, широко применяется в мощных лазерах и лазерах с модуляцией добротности;
  • Nd:YVO4 – 1064нм, 914нм, 1342нм. Обладает очень большим сечением поглощения излучения накачки и сечением испускания лазерного излучения, более широким спектром усиления. Используется в лазерах с низким порогом излучения, является двулучепреломляющим кристаллом, как следствие лазерное излучение поляризовано, применяется в мощных лазерах с высоким качеством пучка;
  • Nd:YLF – 1047нм, 1053нм. Двулучепреломляющий, большая длительность жизни верхнего лазерного уровня, слабо выражен эффект термолинзы, используется в мощных лазерах с модуляцией добротности;
  • Стекло с неодимом, обычно силикатное или фосфатное;
  • Nd:GdVO – 1064нм, 1341нм, аналогичен Nd:YVO, но имеет более широкий спектр усиления;
  • Nd:GDD – выдерживает высокие термически нагрузки;
  • Nd:YLO – 1079нм, 930нм, двулучепреломляющий;
  • Nd:YAP – 1079нм, 1340нм, высокая теплопроводность, двулучепреломляющий;
  • Nd:LSB – 1062нм, 905нм, 1348нм, двулучепреломляющий, может быть получена очень высокая концентрация неодима;
  • Nd:S-FAP – 1059нм, 923нм, 1328нм, двулучепреломляющий.

Во всех представленных средах, кроме стекол ионы неодима замещают другие ионы схожего размера (часто иттрия) в кристаллической решетке.

В спектральном диапазоне 1мкм неодимовые активные среды конкурируют с иттербиевыми. Последние имеют меньший квантовый дефект, более широкую полосу испускания, большее время жизни верхнего уровня, упрощенную уровневую систему, что предотвращает нежелательные переходы. Однако иттербивые активные среды имеют квази-трехуровневую систему лазерных уровней, что обуславливает высокий порог накачки, поэтому не обязательно иттербивые лазеры обладают большей энергетической эффективностью.

Каталог