Александритовые Лазеры

Александритовые Лазеры относятся к классу твердотельных лазеров. В качестве активной среды в александритовых лазерах используется алюминат бериллия (BeAl2O4), активированный хромом (Cr3+:BeAl2O4). В природе алюминат бериллия встречается редко, он является драгоценным минералом, имеющим золотисто-зеленый оттенок. Этот камень используется в ювелирном деле, он носит название хризоберилл. В лазерах используется искусственно усовершенствованным выращенный методом Чохральского александрит в монокристаллической форме с высочайшим качеством кристаллической структуры. При выращивании в расплав алюмината бериллия вводят хром, в результате чего ионы хрома Cr3+ частично замещают ионы алюминия Al3+ (от 0,04 до 0,12 ат. %). Существует два возможных места расположения ионов Cr3+ в кристаллической структуре алюмината бериллия, но в основном ионы Cr3+ занимают места так называемых зеркальных позиций. Излучение света происходит на длинах волн от 700 до 800 нм, при этом на длине волны 755 нм обеспечивается максимальное усиление и электрооптическая эффективность. Широкий диапазон длин волн излучения типичен для активных сред, активированных переходными металлами. Существует возможность создавать лазеры на александрите с длиной волны, настраиваемой в широких пределах, которая в отдельных случаях может превосходить 800 нм. Александрит был одним из первых материалов с электронно-колебательной активной средой, открытых в конце 1970-х годов. Нужно отметить, что в не электронно-колебательном режиме александритовая активная среда может использоваться для генерации узкополосного лазерного излучения на так называемых R линиях.

Рис. 1. Природный хризоберилл

Александрит относится к кристаллам с ромбической сингонией, имеющей низкий показатель симметрии. Как результат этого абсорбция и усиление света сильно зависят от направления его поляризации. Это, вместе с сильным двойным лучепреломлением материала, позволяет легко получать линейно поляризованное излучение с низкими потерями на деполяризацию.

Александрит в высокой степени анизотропен

Спектроскопические свойства александрита существенно сложнее, чем, например, Nd:YAG – не только из-за зависимости от направления, но и из-за значительного участия фононов (квантовых колебаний решетки) на более низком лазерном уровне. Необычным явлением является то, что максимальный коэффициент усиления и эффективность александритового лазера достигаются при повышенных температурах, например, при 100-150 °C. Это вызвано тем фактом, что верхний лазерный уровень имеет несколько более высокую энергию возбуждения, чем долгоживущий уровень, расположенный чуть ниже него, следовательно, в лазерном процессе задействована стадия теплового возбуждения. В результате импульсные александритовые лазеры часто работают лучше при повышенных температурах лазерного кристалла. Однако, достаточно короткое время жизни на верхнем энергетическом уровне при повышенных температурах может ухудшить показатели александритовых лазеров, работающих в непрерывным режиме (время жизни в верхнем состоянии менее важно в случае импульсной накачки и быстрого извлечения энергии).

Александритовые стержни не только легко переносят повышенные температуры, но даже работают при повышенных температурах лучше.

Другой практически важной деталью является то, что поперечные сечения излучения александрита довольно малы, что приводит к очень высокой плотности энергии насыщения. Это может затруднить эффективное извлечение накопленной энергии в лазерном кристалле из-за ограничений, связанных с оптическими повреждениями. В частности, для импульсной работы вдали от оптимальной области длин волн (755 нм) эффективность лазера может быть существенно снижена из-за этой проблемы.

Высокая плотность энергии насыщения александрита – особенно для длин волн, далеких от максимума пропускания, – может быть проблемой для извлечения энергии в импульсных лазерах.

Хотя большие кристаллы александрита могут быть изготовлены с высоким оптическим качеством, эффективный порог оптического повреждения для большой площади пучка может быть намного ниже порога внутреннего повреждения, который можно измерить на высококачественных пятнах, выбранных для особенно низких потерь на рассеяние. Обычно оптические повреждения наблюдаются на поверхностях кристаллов, а не в их объеме. Допустимые пиковые интенсивности или площадь энергии в импульсных лазерах или усилителях сильно зависят от качества кристалла. Условно, высокое качество кристаллов труднее достичь в сочетании с высокой концентрацией легирования ионами Cr3+.

Рис. 2. Александритовый кристаллический стержень

Александритовые Лазеры с накачкой от импульсных ламп

В большинстве случаев используются цилиндрические лазерные стержни длиной примерно 10 см и диаметром примерно 6,3 мм, накачиваемые одной или двумя ксеноновыми лампами-вспышками. Благодаря достаточно высокой механической и термомеханической прочности александрита и его благоприятным термооптическим свойствам, к лампам-вспышкам можно прикладывать очень высокие мощности накачки (часто со средней мощностью в несколько киловатт) – значительно большие, чем, например, в аналогичных Nd:YAG лазерах. (Иногда используются особенно мощные ксеноновые лампы, которые могли бы разрушить стержень Nd: YAG). Импульсы, имеющие энергию, например 1 Дж или даже несколько джоулей могут быть легко получены с помощью относительно простых лазерных резонаторов, которые, однако, обеспечивают относительно низкое качество луча – обычно получают коэффициенты М2 порядка 10 или более.

Александритовые стержни можно накачивать мощными вспышками, например, такими, что способны разрушить Nd:YAG

Можно оптимизировать лазерные резонаторы для получения существенно более высокого качества луча, но это требует использование более сложных конструкций лазерных резонаторов и обычно приводит к существенно более низким энергиям выходных импульсов и эффективности преобразования мощности. Можно применить нестабильный резонатор для получения лучшего компромисса между энергоэффективностью и качеством луча, но из-за низкого сечения излучения александрита этот метод работает не так хорошо, как для некоторых других лазеров, необходимо использовать относительно низкое увеличение.

В большинстве случаев используются лампы–вспышки. Энергия импульсов накачки обычно составляет порядка сотен джоулей или нескольких килоджоулей, а частота следования импульсов обычно довольно низкая – например, 10 Гц или 30 Гц. В самом простом случае используется автономный лазер, генерирующий относительно длинные импульсы, например, длительностью в сотни микросекунд или даже десятки миллисекунд. Гораздо более короткие длительности импульсов (порядка 30 нс или ниже) могут быть достигнуты путем активного или пассивного модулирования добротности, при котором генерация запрещена на некоторое время, пока в лазерном кристалле не накопится значительное количество энергии, и только потом начинается излучение импульса. Получаемая пиковая мощность в этом режиме намного выше, хотя эффективность преобразования мощности значительно ниже. Для активного переключения добротности обычно используется электрооптический модулятор. Также возможно использовать сброс резонатора для достижения еще более короткой длительности импульса, например, в несколько наносекунд.

Свободно работающие импульсные александритовые лазеры излучают довольно длинные импульсы, при модулировании добротности и, в частности, при сбросе резонатора возможны гораздо более короткие импульсы и более высокие пиковые мощности.

Эффективное извлечение энергии легче достигается в усилителе, чем в лазере с модуляцией добротности, поскольку можно лучше контролировать профиль интенсивности пучка (например, избегая горячих точек). Таким образом, архитектура усилителя мощности с задающим генератором (MOPA) может обеспечить лучшую производительность, конечно, за счет более высокой сложности. Обратите внимание, что при таком подходе также возможно выполнить спектральную фильтрацию между генератором и усилителем, чтобы можно было получать и передавать данные с меньшей спектральной шириной.

Также возможно накачивать александритовые лазеры непрерывно работающими дуговыми лампами Xe или Hg, с помощью которых можно реализовать режим непрерывной волны, а также работу с переключением добротности с высокой частотой следования импульсов, например, в несколько десятков килогерц или режим с фиксацией моды.

Для особенно высоких выходных средних мощностей может быть использована конструкция лазера с зигзагообразным слябом, в которой уменьшаются искажения луча, вносимые тепловым воздействием.

Александритовые Лазеры с концевой накачкой

Также возможно применить метод концевой накачки к александритовым лазерам. Впервые это было опробовано в конце 1970-х годов с использованием работающих в непрерывном режиме Nd:YAG лазеров в качестве источников накачки. Концевая накачка позволяет накачивать ограниченный объем александритового лазерного кристалла, так что генерируемый лазерный луч имеет хорошее пространственное перекрытие с возбуждаемым объемом. Таким образом, становится существенно проще получить, например, высокую эффективность преобразования мощности и высокое качество луча; кроме того, узкополосная лазерная накачка может значительно повысить эффективность преобразования мощности. Однако использование лазера вместо одной или двух ламп накачки значительно увеличивает стоимость устройства. Поэтому такой подход используется относительно редко.

Применение Александритовых Лазеров

Наиболее важной областью применения александритовых лазеров является дерматология. Например, такие лазеры используются для удаления волос, для удаления татуировок и для лечения видимых вен на ногах и пигментных поражений. В случае удаления волос свет от длинноимпульсного лазера преимущественно поглощается стержнями волос, и возникающее в результате тепло повреждает эти стержни волос и окружающие волосяные фолликулы (селективный фототермолиз). Благодаря охлаждению кожи во время процедуры повреждение эпидермиса сводится к минимуму. Более короткая длина волны излучения александритового лазера, по сравнению с длиной волны лазера Nd:YAG, лучше подходит для удаления более тонких волосков, но увеличивает риск повреждения эпидермальных слоев в случае более темной кожи. (Поглощение происходит в основном в меланине, который содержится в волосах, но также и в темной коже, и в меньшей степени в гемоглобине)

Татуировки могут быть удалены или, по крайней мере, осветлены путем применения света, который может быть поглощен использованными красителями, которые затем химически преобразуются и впоследствии удаляются организмом. Короткая длительность импульса, получаемая с помощью лазера с переключением добротности, способствует преимущественному нагреву мелких частиц чернил. По сравнению с рубиновыми лазерами высокая частота следования импульсов и средняя мощность александритовых лазеров дают преимущество для таких применений.

В дерматологических применениях импульсы высокой интенсивности от свободно работающего лазера обычно направляются на большие участки кожи. Высокая энергия импульса и средняя мощность обеспечивают достаточно короткое время процедуры. Благодаря большой площади луча особых требований к качеству луча не предъявляется. Это означает, что для таких целей можно использовать относительно простые лазеры.

Возможность перестройки длины волны в значительных пределах, связанная с широким спектром излучения александрита, может быть использована в лазерной спектроскопии. Однако в этой области применения александритовые лазеры используются не часто, отчасти потому, что титан–сапфировые лазеры обеспечивают гораздо более широкую перестраиваемость в этой области длин волн, а также имеют гораздо большие переходные сечения, что может быть выгодно в различных отношениях.

Библиография

[1]R. C. Morris and C. F. Cline, U.S. Patent 3 997 853, Dec. 14, 1976
[2]C. F. Cline et al., “Physical properties of BeAl2O4 single crystals”, J. Materials Sci. 14, 941 (1979)
[3]J. C. Walling et al., “Tunable alexandrite lasers”, IEEE J. Quantum Electron.16 (2), 1302 (1980)
[4]S. Guch and C. E. Jones, “Alexandrite-laser performance at high temperature”, Opt. Lett. 7 (12), 608 (1982)
[5]J. C. Walling et al., “Tunable alexandrite lasers: development and performance”, IEEE J. Quantum Electron.QE 21 (10), 1568 (1985)
[6]D. J. Harter and J. C. Walling, “Low-magnification unstable resonators used with ruby and alexandrite lasers”, Opt. Lett. 11 (11), 706 (1986)
[7]V. Wulfmeyer et al., “Injection-seeded alexandrite ring laser: performance and application in a water-vapor differential absorption lidar”, Opt. Lett. 20 (6), 638 (1995)
[8]A. Hariharan et al., “Alexandrite-pumped alexandrite regenerative amplifier for femtosecond pulse amplification”, Opt. Lett. 21 (2), 128 (1996)
[9]V. Wulfmeyer and J. Bösenberg, “Single-mode operation of an injection-seeded alexandrite ring laser for application in water-vapor and temperature differential absorption lidar”, Opt. Lett. 21 (15), 1150 (1996)
[10]A. Teppitaksak et al., “High efficiency >26 W diode end-pumped Alexandrite laser”, Opt. Express 22 (13), 16386 (2014)
[11]U. Demirbas and F. X. Kärtner, “Alexandrite: an attractive thin-disk laser material alternative to Yb:YAG?”, J. Opt. Soc. Am. B 37 (2), 459 (2020)