Твердотільні лазери відрізняються від газових принципово тільки характером накачування. Для створення когерентного випромінювання використовується оптичне накачування.
Накачування здійснюється зазвичай через охолоджуючу робоча речовина рідина і здійснюється за допомогою випромінювання газорозрядних ламп, світлодіодів, лазерів і т.п. Найбільш широко застосовують лампову накачування.
Зазвичай в конструкції твердотільного лазера (рис. 3.19) використовуються активний (лазерний) стрижень 1 і лампа накачування 2 однаковою ( «олівцевої») конструкції. Дзеркала 3 і 4 оптичного резонатора розділені керуючим оптичним затвором 5. Для ефективного застосування енергії оптичного накачування стрижень 1 і лампа 2 поміщені в замкнутий рефлектор 6 еліптичної форми. При цьому елементи 1 і 2 розміщуються в фокусах еліптичного перетину рефлектора, що дозволяє сконцентрувати енергію оптичного накачування в обсязі активного середовища. Рефлектор 6 заповнений охолоджувальною рідиною, яка періодично прокачується через лазер.
В якості активного середовища використовується кристалічний або аморфний діелектрик, що має центри люмінесценції.
Малюнок. 3.19 - Твердотільний лазер безперервної дії (варіант конструкції)
Серед лазерних матеріалів найбільш представницької є група іонних кристалів з домішками. Кристали неорганічних з'єднань фторидів (CaF2. LaF3. LiYF4), оксидів (Al2 O3) та складних з'єднань (CaWO4. Y3 Al15 O12. Ca5 (PO4) 3 F) містять в кристалічній решітці іони активних домішок, рідкоземельних (самарію Sm 2+. Диспрозия Dy 2+. тулия Tw 2+. Tw 3+. празеодіма Pr 3+. неодиму Nd 3+. ербію Er 3+. гольмію Нo 3+), перехідних (хрому Cr 3+. нікелю Ni 2+. кобальту Со 2 . ванадію V 2 +) елементів або іонів урану U 3+. Концентрація активних домішок в кристалах становить від 0,05 до декількох відсотків (по масі). Генерація збуджується методом оптичного накачування, причому енергія в основному поглинається домішковими іонами. Розглянуті лазерні матеріали відрізняються високою концентрацією активних частинок (10 19 --10 21 см -3), дуже малою шириною лінії генерації (0,001--0,1 нм) і малої кутовий расходимостью генерованого випромінювання.
До недоліків цих матеріалів слід віднести низький (1-5%) коефіцієнт перетворення електричної енергії в енергію лазерного випромінювання в системі «лампа накачування-кристал», складність виготовлення лазерних стрижнів великих розмірів і необхідної їх оптичної однорідності.
Лазерні кристали з дозованими домішками вирощуються, як правило, спрямованою кристалізацією розплаву в спеціальних (кристалізаційних) апаратах, що забезпечують високу стабільність температури розплаву і швидкості росту кристала. З вирощених кристалів вирізаються циліндричні стержні довжиною до 250 мм і діаметром 2-20 мм. Торці стрижнів шліфуються, а потім поліруються. У більшості випадків стрижні виготовляються з плоскими торцями, паралельними один одному, з точністю 3-5 ", і строго перпендикулярними геометричній осі стержня. Можливе застосування торців сферичної або іншої (нестандартної) конфігурації.
В якості активного елементу в первомпромишленном лазері використовувався рубін.
Рубін (від лат. Ruberus - червоний і позднелат. Rubinus) є різновидом мінералу корунду (Al2 O3), але містить домішки іонів хрому Cr 3+ (від сотих часток до 2%, як правило, 0,05%), які заміщають іони алюмінію Al 3+ і (на відміну від безбарвного корунду) визначають червоний колір рубіна. Довжина хвилі лазерних коливань рубіна λ = 694,3 нм.
Внастоящее времятвердотельние лазери створюються в основному на основі кристалів ітрій-алюмінієвого граната з добавкою іонів неодиму (Nd: YAG). Активним середовищем у них є кристал Y3Al5O12, в якому частина іонів Y3 + заміщена іонамітрёхвалентного ніодімаNd3 +.
Nd: YAG-лазери можуть працювати як в безперервному, так і в імпульсному режимі. При роботі в імпульсному режимі для накачування використовуються ксенонові лампи (при потужності накачування
10 Вт), в безперервному - криптонові (при потужності накачування
100 Вт). Розміри стрижнів такі ж, як і у рубінового лазера.
Вихідні параметри потужності:
в безперервному многомодовом режимі - до 500 Вт;
в імпульсному режимі з великою частотою повторення імпульсів (50 Гц) - до 200 Вт;
в режимі РМД - до 50 МВт.
У пристроях CtP використовуються лазери потужністю від 1 Вт до декількох кВт. ККД становить від 3 (при використанні для накачування ламп) до 10% (при застосуванні для накачування діодів). Глибина різкості при цьому досягає 60 мкм. Використовують лазери з довжиною хвилі 1064 нм, а також судуВійськові частотою (532 нм).
Для ефективного використання енергії випромінювання лампи накачування застосовують замкнутий рефлектор, заповнений рідиною, що охолоджує, що прокачується через його обсяг. Однією з найбільш ефективних форм рефлектора є еліптична. При такій формі перетину рефлектора лампу накачування і активний елемент у своєму розпорядженні в фокусах еліптичного перетину, що забезпечує максимальну концентрацію світлової енергії накачування в товщі активного елементу.
Як дзеркал оптичного резонатора в твердотільному лазері можуть використовуватися оптично оброблені торці активного елементу, в разі необхідності забезпечуються відображають покриттями для отримання необхідних значень коефіцієнтів відбиття і пропускання. Якщо необхідно отримати спеціальні властивості лазерного випромінювання (характер поляризації, модовий склад і т.п.), дзеркала оптичного резонатора можуть бути і зовнішніми, що також може бути обумовлено технологією оптичної обробки та нанесення покриттів.
Активний елемент і лампа накачування твердотільного лазера зазвичай вимагають рідинного охолодження в тих випадках, коли потужність випромінювання лазера не є достатньо малою (на рівні милливатт). Це призводить до ускладнення конструкції, так як через охолоджуючу рідину буде проходити енергія накачування, яка не повинна помітно поглинатися цією рідиною.
Зазвичай твердотільні лазери, крім джерела живлення, комплектуються спеціальною системою охолодження з насосом і теплообмінником, що веде до зниження сумарного коефіцієнта корисної дії і викликає необхідність виконання додаткових профілактичних робіт при експлуатації.
Варіант виконання ND: YAG-лазера з ламповим накачуванням наведено на рис. 3.20. Твердотільні ND: YAG-лазери з ламповим накачуванням були першими лазерними джерелами, застосованими в системах CtP для флексографії. Сьогодні вони встановлені в багатьох системах, бо є перевіреним надійним рішенням. Компоненти таких лазерів відпрацьовувалися протягом декількох десятиліть, і сьогодні їх виробництвом займаються сотні компаній в усьому світі.
Малюнок 3.20. Варіант виконання ND: YAG-лазера з ламповим накачуванням: 1 - дзеркало заднього виду; 2 - лампа накачування; 3 - кристал Nd: YAG; 4 - відбивач; 5 - заслінка; 6 - вихідний дзеркало; 7 - модулятор світла; 8 - фокусуються оптична система
Ряд недоліків, властивих цим лазерів, змусив в деяких випадках шукати їм заміну. Розвиток і вдосконалення лазерної техніки в 90-і роки. призвело до поширення твердотільних лазерів, де ламповий джерело світла був замінений напівпровідниковими лазерами (діодами). Один з варіантів оптичної системи таких лазерів представлений на рис. 3.21.
Малюнок 3.21- Варіант виконання Nd: YAG-лазера з напівпровідникової накачуванням: 1 - дзеркало заднього виду; 2 - лазерні діоди оптичної накачування; 3 - кристал Nd: YAG; 4 - корпус; 5 - заслінка; 6 - вихідний дзеркало, 7 - модулятор світла; 8 - фокусуються оптична система
У лазерах з напівпровідникової (диодной) накачуванням замість ламп використовуються потужні лазерні діоди, що випромінюють світло саме тієї довжини хвилі (808 нм), яка необхідна для генерації лазерного випромінювання кристалом Nd: YAG-лазера. Головна відмінність цих лазерів від лазерів з ламповим накачуванням полягає в значно більш високою (на порядок) ефективності перетворення випромінювання потужних лазерних діодів, що дозволяє уникнути високого електроспоживання і обійтися без інтенсивного зовнішнього водяного охолодження (внутрішній контур водяного охолодження активного тіла лазера все ж необхідний). Все це робить системи запису зображення з такими лазерами більш зручними в експлуатації.
Потужність лазерів з напівпровідникової накачуванням дозволяє розщепити пучок лазерного випромінювання на кілька окремо керованих пучків, причому без погіршення якості випромінювання. Внаслідок цього такі лазери незамінні для побудови багатопроменевих оптичних систем запису, що використовуються для підвищення продуктивності, оскільки кілька променів експонують матеріал паралельно.
У пристроях з розщепленням лазерного пучка (на відміну від систем, де використовуються два різних лазера) з плином часу на растровому зображенні не виникає полошения. Відомо, що в лазерах через якийсь час може відбуватися слабке відхилення лазерного пучка, яке виражається в невеликому (в кілька мікрон) зміщенні плями записи на матеріалі в довільному напрямку. Але коли два промені виходять за допомогою розщеплення єдиного пучка, це зміщення для обох плям записи відбувається синхронно і не призводить до проблем. Якщо ж застосовані два лазера, то можливо неузгодженість плям, яке призводить до появи смуг на зображенні. Цей ефект можна усунути тільки повторної калібруванням, яка може бути виконана лише силами спеціально навченого персоналу.
Твердотільні лазери мають такі переваги:
невелика довжина хвилі дозволяє отримати пляма діаметром менше 10 мкм і значно підвищити дозвіл записи;
мінімальні втрати при проходженні по оптоволоконним световодам і легкість модуляції спрощують конструкцію лазерних установок;
значне число відомих матеріалів (особливо металів) мають високий коефіцієнт поглинання в області випромінюваних довжин хвиль, що полегшує розробку формних пластин і підвищує ефективність лазерного запису.
У порівнянні з СО2 лазерами вони працюють на значно більш короткій довжині хвилі, що дозволяє фокусувати випромінювання твердотільних лазерів в пляма меншого розміру. У порівнянні з даній операції вони забезпечують в 2-3 рази більше значення коефіцієнта корисної дії. До їх переваг відносяться також компактність, мобільність і т.д.
У порівнянні з газовими, лазери на гранаті є більш дорогими і при експлуатації вимагають більшої уваги до профілактики - необхідні періодична заміна ламп накачування, підтримання чистоти охолоджуючої рідини, через яку здійснюється накачування. Крім того, в лазері на гранаті існують деякі труднощі з забезпеченням стабільності випромінювання.
У CtP-пристроях, оснащених твердотільними лазерами, компанії пропонують фотополімеризуючі і серебросодержащие формні пластини, а також пластини з гібридними і термочутливими шарами. При цьому під впливом лазера з довжиною хвилі 1064 нм термочутливих шари можуть піддаватися термодеструкції, абляції або термоструктурірованію.
Твердотільними YAG-лазерами оснащуються CtP-пристрою Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) і багато інших. Однак останнім часом все частіше замість твердотільних лазерів використовуються лазерні діоди.
У ФНА твердотільні лазери практично не застосовуються.