Першим реалізованим в 1960 р лазером на кристалі рубіна в якості активного середовища був твердотільний лазер, причому лазер цього типу і в реальний час ще належить до класу найважливіших. Цей лазер придатний, зокрема, для отримання високої і дуже високої імпульсних потужностей і знаходить різноманітні практичні застосування.
Випромінювання твердотільних лазерів застосовується перш за все в області нелінійної оптики, обробки матеріалів (зварювання лазерним випромінюванням, лазерна різка та ін.), Вимірювальної техніки, а також для створення плазми в рамках лазерного термоядерного синтезу.
Твердотільний лазер містить в якості активного середовища кристали або скла, які активуються іонами металів або іонами рідкоземельних елементів. Ці активні іони поглинають оптичне випромінювання в широкій спектральній області. В результаті релаксаційних процесів або випромінювальних переходів через різні проміжні рівні відбувається порушення щодо долгоживущего (метастабільного) рівня в якості вихідного рівня для випускання вимушеного випромінювання, тобто лазерного переходу. Твердотільні лазери переважно випромінюють у видимій та ІЧ-спектральної областях.
Порушення відбувається виключно за допомогою оптичного накачування при використанні відповідних джерел світла в спеціальному пристрої (для ефективного введення випромінювання накачування в лазерну середу).
Твердотільні лазери характеризуються відносно простий компактною конструкцією (рис. 1) і високою імпульсною потужністю (при відносно низьку якість випромінювання).
Мал. 1 - Схематичне зображення конструкції твердотільного лазера: 1 - дзеркало; 2 - модовая діафрагма; 3 - відбивач; 4 - лазерний стрижень; 5 - лампа накачування
Накачування твердотільних лазерів відбувається безпосередньо за допомогою випромінювання. Інверсія заселенностей створюється при слабозаселенних нижньому лазерному рівні (виняток - рубіновий лазер) завдяки достатньому порушення верхнього рівня, при цьому в якості лазерних переходів переважно розглядаються такі переходи, які мають в спектрах флуоресценції максимальну інтенсивність випромінювання.
Активні елементи виготовляються у вигляді стрижнів з відполірованими торцевими поверхнями, з нанесеними дзеркальними покриттями і також з обробленою поверхнею для ефективного введення випромінювання накачування.
Випромінювання накачування створюється в імпульсному або безперервному режимі за допомогою ламп різних форм і наповнення газом, а також за допомогою лазера. Накачування за допомогою лазерів особливо ефективна.
Як джерела накачування для твердотільних лазерів застосовуються: ксенонові лампи, криптонові лампи, ртутні лампи високого тиску, галогенні лампи.
З твердотільних лазерів найбільше поширення для обробки матеріалів (зварювання лазерним випромінюванням, лазерна різка металу та ін.) Отримали лазери на рубіні, склі з неодимом і на гранатах з неодимом.
Рубіновий лазер. Цей лазер переважно працює в імпульсному режимі і генерує випромінювання на довжині хвилі 0,6943 мкм. Через можливість отримання великих імпульсних потужностей, а також наявності рубінових кристалів високої оптичної якості рубіновийлазер - і в даний час один з найбільш відомих твердотільних лазерів. Рубіновий кристал складається з молекул оксиду алюмінію, в його решітці замість деяких іонів алюмінію впроваджені іони хрому.
Рубінові кристали мають стрижневу форму діаметром 0,3-2 см і довжину до 30 см. Рубінові кристали оптично хорошої якості відносно легко виготовляти, вони мають велику механічну міцність і високу теплопровідність, що полегшує охолодження кристала.
Випромінювання накачування створюється потужними стрижневими ксеноновими лампами з декількома еліптичними відбивачами або спіральними лампами.
Випромінювання рубінового лазера характеризується великою потужністю при невисокій якості випромінювання (неоднорідний розподіл по поперечному перерізі, пічковий характер випромінювання).
Неодимовий скляний лазер. Цей лазер є твердотілим лазером, що випромінюють в ближньому ІЧ-діапазоні, який застосовується, наприклад, для лазерного керованого термоядерного синтезу, обробки матеріалів (зварювання лазерним випромінюванням, лазерна різка та ін.) Або - при менших потужностях - як лазера накачування.
Неодимовий скляний лазер працює по чотирирівневої схемою. Оскільки нижній лазерний рівень майже не заселений, то цей тип лазерів володіє відносно низькою порогової потужністю, в результаті чого неважко здійснити непривний режим роботи.
Для оптичного накачування переважно застосовуються стрижневі імпульсні лампи з еліптичних відбивачем. Як матеріал матриці застосовуються силікатне, фосфатне і барієве скла. Переваги скла полягають в простоті виготовлення активних елементів з великими розмірами і хорошому оптичній якості.
Недоліки пов'язані з низьким коефіцієнтом теплопровідності (для безперервного режиму роботи необхідні спеціальні скла), сильним розширенням лінії флуоресценції і лінії поглинання (частково неоднорідним); несприятливим ставленням неоднорідною ширини до однорідної ширині лінії флуоресценції в силикатном склі.
Nd-ІАГ-лазери. В даний час лазер цього типу є найважливішим твердотілим лазером. Він характеризується тим, що при відносно простої конструкції досягаються високі потужності в імпульсному режимі при високій частоті проходження імпульсів лазерного випромінювання (до 10 кГц) або навіть в неперивном режимі. Фізичний принцип отримання інверсії заселеності в цьому лазері точно збігається - при тому ж активному йоні Nd3 + - з принципом створення інверсії заселеності в лазері на склі з неодимом. Основна відмінність полягає в використанні кристалічної матриці. У неодимовому ІАГ-лазері мова йде про иттриево-алюмінієвому гранаті.
Переваги иттриево-алюмінневого граната в порівнянні зі склом: 1) висока механічна міцність і твердість; 2) хороша теплопровідність; 3) відсутня необхідність в компенсації заряду.
Кристали иттриево-алюмінієвого граната застосовуються у вигляді стрижнів діаметром 0,3-0,8 і завдовжки 3-10 см. Порушення середовища відбувається за допомогою оптичного накачування в наступних режимах:
а) в імпульсному режимі - ксеноновими імпульсними лампами, часто в простому пристрої з циліндричним відбивачем;
б) в безперервному режимі - галогенними лампами і переважно для високих потужностей - криптоновими дуговими лампами в пристроях з одним або двома еліптичними відбивачами.
Nd-ІАГ-лазери є основними джерелами накачування і джерелами випромінювання в сучасній лазерної фізики. Лазер генерує лінійно поляризоване випромінювання і тим самим придатний, зокрема, в якості джерела накачування для нелінійної оптики. Завдяки великій потужності імпульсу застосовуються також в офтальмології для лазерного різання тканин. У промислових цілях (зварювання лазерним випромінюванням, лазерна різка металу та ін.) Nd-ІАГ-лазери застосовуються для обробки малогабаритних деталей.