Laser cu stare solidă cu o distribuție uniformă a radiației de ieșire. Vezi ce este un „laser cu stare solidă” în alte dicționare. Emisia si absorbtia

linii directoare pentru proiectarea cursurilor

la disciplina „Optic și dispozitive și dispozitive”

pentru studenții specialității 071700 „Fizica și tehnologia comunicației optice”

1. Clasificarea laserelor cu stare solidă.

În iulie 1960 Meiman a creat primul laser pe un cristal de rubin, care a marcat începutul unei noi clase de dispozitive cuantice - generatoare și amplificatoare în intervalul de lungimi de undă optice. Într-o perioadă scurtă, au fost propuse peste o sută de medii active solide pe bază de materiale anorganice. O astfel de dezvoltare rapidă a laserelor cu stare solidă se datorează caracteristicilor fundamentale ale acestor dispozitive. Concentrația de particule active într-un material solid este mult mai mare decât concentrația de particule din mediile gazoase. Prin urmare, mediile active solide se caracterizează printr-un câștig mai mare, iar acest lucru face posibilă obținerea unor puteri mari de generare. La rândul său, puterea de radiație depinde de modul de funcționare al laserului.

Laserele sunt clasificate după trei caracteristici principale: după modul de funcționare, după tipul de substanță activă și după metoda de pompare. În funcție de modul de funcționare, laserele cu stare solidă sunt împărțite în generatoare care funcționează continuu și funcționează în modul pulsat. Laserele cu stare solidă pulsate sunt subdivizate, la rândul lor, în lasere care funcționează în modul de rulare liberă și în modul Q-switched.

În prezent, multe materiale sunt utilizate ca substanțe active pentru laserele cu stare solidă. Pe această bază, laserele cu stare solidă sunt împărțite în patru grupe, care conțin ca substanță activă ioni de metal de tranziție cu o înveliș 3d în cristale, ioni de pământuri rare cu o înveliș 4f în cristale și pahare, ioni de actinidă cu o înveliș 5f în cristale, și complecși organici de pământuri rare (chelați).

Sunt utilizate diferite metode de pompare pentru a crea inversarea populației în substanța activă a laserelor cu stare solidă. În prezent, lămpile cu descărcare în gaz sunt cele mai utilizate în acest scop. Cu toate acestea, lămpile cu descărcare în gaz au o eficiență relativ scăzută de conversie a energiei electrice în lumină. În acest sens, au fost dezvoltate noi metode de pompare. Așadar, în funcție de metoda de pompare utilizată, laserele cu stare solidă se clasifică astfel: lasere cu pompare optică; lasere care utilizează un sistem de pompare cu diode semiconductoare; lasere pompate prin metoda sârmei sau filmului exploziv; lasere cu metode de pompare chimică; lasere care utilizează radiația optică dintr-un filament de plasmă care se contractă; lasere cu sistem de pompare care utilizează raze X pentru a excita fluorescența în substanțele active cristaline etc.

2. Procese fizice și caracteristici principale.

Solidele - substanțele active ale laserelor cu stare solidă - sunt macrosisteme complexe formate din nuclee și electroni. Energia mișcării relative a particulelor care alcătuiesc atomii solidelor poate lua valori strict definite, numite niveluri de energie. Sistemul de niveluri de energie alcătuiește spectrul energetic al unui atom al unei substanțe active. nivelul cu energia minimă este nivelul solului, restul sunt entuziasmați. Numărul de atomi din 1 cm 3 dintr-o substanță care se află la un anumit nivel de energie se numește populație de nivel N m . Dacă unui atom situat la nivelul solului i se dă energie suplimentară, acesta poate face o tranziție bruscă într-un sistem cuantic de la un nivel de energie la altul, de exemplu. trece la unul dintre nivelurile entuziasmate. Dimpotrivă, un atom excitat poate spontan sau indus să meargă la nivelurile inferioare, în timp ce emite un cuantum de lumină. Frecvența cuantumului de lumină emisă sau absorbită este determinată de postulatul lui Bohr

unde h=6,62491 10 -27 erg s este constanta lui Planck;

, sunt nivelurile energetice considerate.

Procesele de radiație spontane (spontane, fără nicio legătură cu radiațiile externe) apar peste tot și peste tot. Aceasta este radiația de la corpuri încălzite, gaze luminoase, descărcări electrice etc. Pentru radiația practic indusă (forțată), trebuie îndeplinite trei condiții de bază:

1. Este necesar să existe o substanță activă cu inversare a populației, i.e. dintre cele două niveluri alese, nivelul superior este mai populat decât cel inferior. Inversarea populației pe două niveluri:

.

Inversarea se realizează prin pompare, una dintre metodele universale ale cărei este excitarea optică a particulelor.

2. Substanța activă trebuie introdusă într-un rezonator optic (un sistem de două oglinzi paralele) pentru a realiza un pozitiv părere. Ca urmare, o parte din energia emisă, care se propagă în interiorul substanței active, este amplificată datorită emisiei forțate de fotoni de către tot mai mulți atomi noi implicați în procesul de radiație.

3. Câștigul dat de substanța activă trebuie să fie mai mare decât o valoare prag totală a pierderilor în rezonatorul k transpirație, determinată pentru fiecare corp solid. Generarea va fi posibilă dacă este îndeplinită condiția de autoexcitare:

,

unde G max este câștigul maxim al substanței active pe unitate de lungime;

L este lungimea rezonatorului, cm.

Laserele cu stare solidă utilizează sisteme cu trei și patru niveluri de niveluri de energie. În primul sistem (Fig. 1), radiația pompei optice transferă particulele cuantice într-o bandă largă de absorbție, apoi atomii trec rapid la nivelul metastabil 2. Dacă puterea pompei este suficientă, are loc o inversare a populației între nivelul solului 1. si nivelul 2. generarea are loc de la nivelul metastabil 2 la nivelul principal (sau la nivelul auxiliar 2 într-un sistem cu patru niveluri). În cazul general, schimbarea populațiilor de nivel se datorează a trei mecanisme cuantice: tranziții spontane la niveluri inferioare; induse de emisie și absorbție; tranziții neradiative excitate de procese termice și interacțiuni cu vibrațiile rețelei cristaline. Conform acestei scheme, funcționează un laser rubin. Dezavantajul său este că, pentru a crea o inversare a populației, mai mult de 50% din particulele cuantice trebuie să fie transferate de la sol la nivelul metastabil. Prin urmare, fiecare dintre atomii excitați oferă o mare parte (80..85%) din energia pompei încălzirii rețelei cristaline în timpul tranzițiilor neradiative.

Sistemul pe patru niveluri folosit de multe lasere cu stare solidă (pe sticlă activată cu pământuri rare, actinide etc.) este mai eficient. Dacă nivelul 4 este suficient de departe de nivelul solului 1, atunci populația sa va fi mai mică decât cea de la nivelul solului, iar inversarea populației între nivelurile 2 și 4 poate fi realizată la puteri de pompare relativ scăzute.

După creație laser rubin Au fost propuse multe lasere bazate pe alte materiale, dar laserul rubin este utilizat pe scară largă astăzi și va fi folosit în viitor. Acest lucru se explică prin următoarele circumstanțe: radiația sa are loc în partea vizibilă a spectrului, cristalul nu necesită răcire pentru a genera impulsuri de frecvență și o putere mare de ieșire este furnizată în modul de generare a impulsurilor cu comutare Q. Un laser rubin poate fi caracterizat aproximativ prin trei niveluri de energie. Tranziția de lucru între nivelurile 2 și 1 corespunde unei radiații cu o lungime de undă de 0,6943 µm.

Alături de laserele rubin, sunt utilizate pe scară largă laserele pe bază de sticlă, care au o serie de avantaje precum dimensiuni practic nelimitate ale tijei (6–200 cm), ușurință în fabricarea probelor de orice formă, uniformitate optică ridicată și ușurință a masei. producție. În același timp, în comparație cu cristalele ionice, ochelarii au proprietăți negative. Acestea sunt o conductivitate termică scăzută și un coeficient ridicat de dilatare termică, ceea ce face dificilă dezvoltarea laserelor cu impulsuri cu o rată mare de repetiție. In prezent au fost create lasere pe baza de sticla activata cu neodim, iterbiu, erbiu, holmiu si alti ioni.Laserul cu neodim este cel mai bun. Diagrama nivelului de energie a ionilor de neodim este destul de complexă, dar este de obicei redusă la patru niveluri. Nivelul 1 este starea fundamentală, 2 este nivelul final, 3 este un nivel metastabil, 4 este totalitatea tuturor stărilor finale la absorbția radiației pompei, ceea ce duce la excitarea particulelor cuantice de la nivelul 1 la nivelul 4. Tranziție operațională (generație) între nivelurile 3 și 2 corespunde unei lungimi de undă de 1,06 µm.

Cel mai interesant în ceea ce privește capacitățile sale este considerat în prezent a fi un laser cu stare solidă ytriu-aluminiu dopat cu neodim (YAG). Acesta este un sistem pe patru niveluri. YAG dopat cu ion Nd 3+ este un material unic deoarece are o conductivitate termică bună, duritate ridicată și proprietăți optice bune. Cu toate acestea, YAG este scump și nu este posibil să crească tije mai lungi de 12 cm. Mostre comerciale de lasere YAG oferă o putere de generare de până la 250 W cu o densitate de 2·10 5 W/cm 2 , o eficiență de 2,1%, și o divergență de aproximativ 30 de minute. Tranziția de lucru a acestui generator se află în regiunea infraroșu apropiat la o lungime de undă de 1,064 microni. Lățimea liniei spectrale la o temperatură T=300K la această lungime de undă este de 180 GHz. Laserul funcționează în moduri multimod și single-mode, iar în modul single-mode, puterea de generare este redusă cu un factor de trei. În modul impuls, frecvența de trimitere a impulsurilor ajunge la 10 8 - 10 9 Hz, cu o putere de vârf de 30-300 kW și o durată a impulsului de 30 ps. Laserele YAG generează, de asemenea, o serie de alte unde de radiație 0,94; 1,05…1,12; 1,3…1,4 µm.

Tabelul 1. Principalele caracteristici ale substanțelor active ale laserelor cu stare solidă.

3. Compoziția spectrală a radiațiilor.

Spectrul de emisie al unui generator cuantic ideal este o linie infinit îngustă, a cărei poziție pe axa frecvenței depinde de substanța activă utilizată în laser. Într-un laser real cu stare solidă funcționează o serie de mecanisme, ducând la așa-numita lărgire a liniei spectrale, atunci când spectrul de emisie este o bandă de frecvență. Unul dintre principalele motive pentru lărgirea liniei spectrale este că nivelurile de energie ale unui atom, chiar și în cazul ideal, când nu există influențe externe, au o anumită lățime finită. Lățimea nivelului de energie este guvernată de principiul incertitudinii, care afirmă că orice sistem fizic nu poate fi în stări în care coordonatele centrului său de inerție și impuls să ia simultan valori destul de precise, exacte. Dacă durata de viață a unei particule cuantice la orice nivel de energie excitată are valoarea τ, atunci, conform principiului incertitudinii, lățimea acestui nivel

unde este constanta lui Planck.

Astfel, lățimea nivelului de energie depinde de durata de viață a particulei într-o stare de energie dată. Prezența lărgirii energiei duce la o anumită distribuție a frecvenței intensității emisiei de lumină, care se caracterizează prin forma liniei de emisie.

Una dintre cele mai comune caracteristici ale unei linii spectrale este lățimea acesteia, definită ca intervalul de frecvență 2Δν lângă centrul liniei, la marginile căreia intensitatea radiației scade la jumătate față de centru. Lățimea liniei, invers proporțională cu durata de viață a particulei în starea inițială, se numește lățimea naturală sau lorentziană:

.

În practică, lățimea liniilor spectrale depășește semnificativ lățimea liniilor naturale. La laserele cu stare solidă, lărgirea liniilor spectrale, datorită interacțiunii dintre particule, este de mare importanță. În cel mai simplu caz, această interacțiune duce la o scădere a duratei de viață a particulelor în stare excitată. Forma liniei spectrale descrisă de ecuația Lorentz

în același timp, rămâne același, totuși, datorită scăderii duratei de viață a particulelor, lățimea liniei spectrale crește. O astfel de lărgire, în care forma liniei rămâne neschimbată, se numește uniformă. Lărgirea neomogenă a liniei spectrale, care este deosebit de semnificativă pentru gazele rarefiate, este așa-numita lărgire Doppler. Datorită faptului că toți atomii se mișcă în direcții diferite cu viteze diferite υ, în spectrul radiațiilor apare un set de frecvențe, determinate de deplasarea de frecvență Doppler .

În condiții de echilibru termodinamic, distribuția vitezei particulelor se supune distribuției Maxwell. Luând în considerare această lege, jumătatea lățimii Doppler a liniei spectrale

,

unde ν 0 este frecvența de rezonanță a liniei spectrale de radiație, Hz;

J/K este constanta Boltzmann;

T este temperatura, K;

m este masa unui atom sau a unei molecule.

Cu toate acestea, lărgirea Doppler în solide este foarte nesemnificativă, deoarece ionii activatori sunt legați rigid de rețeaua cristalină și pot fi considerați imobili în prima aproximare.

În mediile active solide, unul dintre principalele motive pentru lărgirea liniei spectrale este neomogenitatea cristalului mediului activ, ceea ce duce la faptul că nivelurile de energie ale atomilor sunt deplasate, iar magnitudinea deplasării de nivel pentru atomi este diferit. Acest lucru duce la faptul că atomii emit cuante de diferite energii, ceea ce afectează în mare măsură lărgirea liniei spectrale a substanței active solide. O cauză la fel de importantă a lărgirii sunt vibrațiile termice ale rețelei. Cu cât temperatura cristalului este mai mare, cu atât oscilațiile sunt mai puternice. Ca urmare, ionii sunt localizați în câmpuri alternative care modulează poziția nivelurilor de energie și, prin urmare, lărgește linia spectrală. Valoarea lărgirii termice este determinată de legătura dintre ionul activator și rețeaua cristalină.

4. Energie, putere și eficiență.

Eficiența și perfecțiunea tehnică a sistemelor și dispozitivelor energetice sunt de obicei evaluate prin valorile energiei de ieșire, puterii și eficienței. Dacă laserele cu stare solidă sunt evaluate prin eficiență, fără a lua în considerare unicitatea lor proprietăți fizice, atunci vor părea a fi sisteme ineficiente (eficiența celui mai bun laser rubin nu depășește 1,5%). Pentru o evaluare preliminară a caracteristicilor energetice ale laserelor cu stare solidă proiectate, se poate folosi procedura de calcul a puterii laserelor care funcționează în modul de rulare liberă la o temperatură de 300 K cu media valorii puterii pe fascicule individuale ale spectrul radiațiilor. Energia unui impuls de emisie stimulată cu o durată a impulsului τ și pentru un laser cu o substanță activă de volum este egală cu

.

O estimare a puterii de generare a unui Put laser cu trei sau patru niveluri poate fi obținută folosind dependența

unde este energia cuantică a radiației induse a generatorului, J;

Pompă energie cuantică, J;

Randamentul cuantic al luminiscenței;

Un parametru care caracterizează fracția de lumină incidentă de la reflector pe suprafața cristalului (eficiența sistemului optic al laserului);

Factorul de utilizare a radiației lampii pompei incidente pe suprafața laserului;

Coeficientul de conversie a energiei electrice în energie luminoasă (eficiența lămpii pompei);

Număr de praguri;

Energia pompei;

Pragul de energie al pompei (energia pompei la care are loc emisia stimulată);

Factor care ține cont de zgomotul de radiație;

este factorul de pierdere pe oglinzile rezonatoare;

Lungimea rezonatorului;

Coeficienții de reflexie ai oglinzilor rezonatoare;

Coeficientul pierderilor interne (dissipative) în mediul activ.

Câștigul maxim pentru tranziția 2 1, sub rezerva acumulării de particule cuantice la nivelul 2 al substanței active:

,

unde este coeficientul spectral Einstein;

Viteza luminii, m/s;

Concentraţia activatorului, 1/cm2;

Raportul dintre pierdere și câștig maxim.

Pierderile de energie convertită în laser sunt împărțite în pierderi care pot fi reduse prin modificarea designului laserului și pierderi fundamental inevitabile asociate cu esența fizică a fenomenului de generare. Prin urmare, este oportun să se ia în considerare dependența eficienței laserului de o serie de factori.

Eficiența unui laser cu stare solidă poate fi reprezentată ca raportul dintre energia Eout din radiația indusă a unui singur impuls și energia electrică Ein furnizată de la rețea la intrarea sistemului de pompare:

,

sau, ținând cont de dependența eficienței de eficiența utilizării elementelor structurale

,

unde este randamentul sursei de alimentare ( circuit electric pompare);

Energia stocată în condensatoare de stocare.

Eficiența circuitului electric al sistemului de pompare care utilizează circuite RC nu poate fi, în principiu, mai mare de 0,5, iar în sursele de alimentare reale pentru lămpi cu blitz, eficiența ajunge la doar 0,3 ... 0,4.

Energia de ieșire a lămpii pompei în impulsuri

.

Apoi coeficientul de conversie a energiei electrice furnizate lampii pompei în radiant

.

Valoarea acestui coeficient variază între 40…60%.

Factorul de utilizare a radiației lămpii în regiunea de absorbție spectrală a mediului activ determină fracția din energia pompei optice absorbită de mediul activ:

,

unde este valoarea spectrală a energiei de radiație a unui singur impuls al lămpii pompei;

Limitele regiunii spectrale de absorbție a mediului activ;

Valoarea spectrală a coeficientului de absorbție al mediului activ;

Valoarea integrală a energiei absorbite.

Eficiența unui sistem optic depinde de următorii factori: caracteristicile de transmisie ale agentului frigorific; configurația și proprietățile optice ale iluminatorului; coeficient de absorbție prin descărcarea propriei radiații; distribuția luminozității pe suprafața de descărcare; proporția de energie a lămpii concentrată pe suprafața substanței active; secțiunea transversală a cristalului. În scopuri practice, putem presupune că luminozitatea energiei este mediată în timp și spectru și este constantă pe întreaga lungime a intervalului de descărcare. La cele mai bune iluminatoare, atinge o valoare de 0,5 ... 0,7.

Valoarea admisibilă a eficienței cuantice a transferului de energie de la un nivel excitat la unul metastabil depinde de temperatura de încălzire a substanței active și este de 0,7 ... 0,9 în domeniul de temperatură T = 300 ... 90 K.

5. Metodă grafico-analitică pentru calcularea parametrilor de proiectare ai unui laser în stare solidă pulsat.

Un inginer proiectant care lucrează la un design cu laser trebuie să obțină valori specifice pentru unul sau altul dintre parametrii acestuia. În prezent, au fost elaborate diagrame speciale pentru determinarea parametrilor de proiectare ai laserelor cu stare solidă. Folosind aceste diagrame, se pot alege destul de rapid parametrii de proiectare ai laserului (lungimea rezonatorului, dimensiunile tijei de substanță activă, caracteristicile reflectorului).

Laserele cu stare solidă diferă fundamental de laserele cu gaz numai prin natura pompării. Pentru a crea radiații coerente se folosește pompare optică.

Pomparea se realizează de obicei printr-un lichid care răcește substanța de lucru și se realizează folosind radiația de la lămpi cu descărcare în gaz, LED-uri, lasere etc. Pomparea cu lampă este cea mai utilizată.

De obicei, în proiectarea unui laser cu stare solidă (Fig. 3.19), este utilizată o tijă activă (laser) 1 și lampa pompei 2 același design („creion”). Oglinzi 3 Și 4 rezonatoarele optice sunt separate printr-un obturator optic de control 5 . Pentru utilizarea eficientă a energiei pompei optice, tija 1 și lampă 2 plasat într-un reflector închis 6 formă eliptică. În același timp, elementele 1 Și 2 sunt plasate la focarele secțiunii eliptice a reflectorului, ceea ce face posibilă concentrarea energiei optice de pompare în volumul mediului activ. Reflector 6 umplut cu lichid de răcire, care este pompat periodic prin laser.

Mediul activ este un dielectric cristalin sau amorf având centri de luminescență.

Imagine. 3.19- laser cu stare solidă acțiune continuă (opțiune de proiectare)

Dintre materialele laser, grupa cea mai reprezentativă este cristalele ionice cu impurități. Cristale de compuși anorganici de fluorură (CaF 2 , LaF 3 , LiYF 4 ), oxizi (Al 2 O 3 ) și compuși complecși (CaWO 4 , Y 3 Al 15 O 12 , Ca 5 (PO 4 ) 3 F) conțin în rețeaua cristalină ioni de impurități active, pământuri rare (samariu Sm 2+, disproziu Dy 2+, tuliu Tw 2+, Tw 3+, praseodim Pr 3+, neodim Nd 3+, erbiu Er 3+ , holmiu Ho 3+), elemente de tranziție (crom Cr 3+, nichel Ni 2+, cobalt Co 2+, vanadiu V 2+) sau ioni de uraniu U 3+. Concentrația de impurități active din cristale variază de la 0,05 la câteva procente (în greutate). Lasingul este excitat de pomparea optică, iar energia este absorbită în principal de ionii de impurități. Materialele laser considerate se disting printr-o concentrație mare de particule active (10 19 -10 21 cm -3), o lățime foarte mică a liniei de generare (0,001-0,1 nm) și o mică divergență unghiulară a radiației generate.

Dezavantajele acestor materiale includ un coeficient scăzut (15%) de conversie a energiei electrice în energie de radiație laser în sistemul „pompă lampă-cristal”, complexitatea fabricării tijelor laser de dimensiuni mari și uniformitatea optică necesară a acestora.

Cristalele laser cu impurități dozate sunt crescute, de regulă, prin cristalizarea direcțională a topiturii în dispozitive speciale (de cristalizare) care asigură o stabilitate ridicată a temperaturii topiturii și a vitezei de creștere a cristalului. Din cristalele crescute sunt tăiate tije cilindrice de până la 250 mm lungime și 2-20 mm în diametru. Capetele tijelor sunt șlefuite și apoi lustruite. În cele mai multe cazuri, tijele sunt realizate cu capete plate paralele între ele, cu o precizie de 3-5", și strict perpendiculare pe axa geometrică a tijei. Este posibil să se utilizeze capete sferice sau altele (non -standard).

Ca element activ în primullaser industrial folosit rubin.

Rubinul (din lat. ruberus - roșu și lat. rubinus târziu) este un fel de mineral de corindon (Al 2 O 3), dar conține impurități de ioni de crom Cr 3+ (de la sutimi la 2%, de obicei 0,05%), care înlocuiesc ionii de aluminiu Al 3+ și (spre deosebire de corindonul incolor) determină culoarea roșie a rubinului. Lungimea de undă a oscilațiilor laserului rubin este λ = 694,3 nm.

ÎNtimp prezent Laserele cu stare solidă sunt create în principal pe baza de cristale de granat de ytriu-aluminiu cu adaos de ioni de neodim (Nd:YAG). Mediul activ din ele este cristalul Y 3 Al 5 O 12 , în care o parte din ionii Y 3+ înlocuite cu ionineodim trivalentNd 3+ .

Laserele Nd:YAG pot funcționa atât în ​​modul continuu, cât și în modul pulsat. Când funcționează în modul în impulsuri, lămpile cu xenon sunt folosite pentru pompare (la o putere a pompei de ~10 W), iar în modul continuu, sunt utilizate lămpi cu cripton (la o putere a pompei de ~100 W). Dimensiunile tijelor sunt aceleași cu cele ale laserului rubin.

Parametrii puterii de ieșire:

în modul multimod continuu - până la 500 W;

în modul puls cu o rată mare de repetare a pulsului (50 Hz) - până la 200 W;

în modul RDM - până la 50 MW.

Dispozitivele CtP folosesc lasere de la 1 W la câțiva kW. Eficiența variază de la 3 (când este folosit pentru pomparea lămpilor) la 10% (când este folosit pentru pomparea diodelor). Adâncimea câmpului în acest caz ajunge la 60 de microni. Utilizați lasere cu o lungime de undă de 1064 nm, precum și cufrecvență dublă (532 nm).

Pentru a utiliza eficient energia de radiație a lămpii pompei, se folosește un reflector închis, umplut cu un lichid de răcire pompat prin volumul său. Una dintre cele mai eficiente forme de reflectoare este eliptică. Cu această formă a secțiunii reflectorului, lampa pompă și elementul activ sunt plasate în focarele unei secțiuni eliptice, ceea ce asigură concentrarea maximă a energiei luminii pompei în grosimea elementului activ.

Capetele prelucrate optic ale elementului activ pot fi folosite ca oglinzi cu rezonanță optică într-un laser cu stare solidă, dacă este necesar, prevăzut cu acoperiri reflectorizante pentru a obține valorile necesare ale coeficienților de reflexie și transmisie. Dacă este necesar să se obțină proprietăți speciale ale radiației laser (caracter de polarizare, compoziția modului etc.), oglinzile rezonatorului optic pot fi și exterioare, ceea ce se poate datora și tehnologiei de prelucrare și acoperire optică.

Elementul activ și lampa pompă a unui laser cu stare solidă necesită de obicei răcire cu lichid în cazurile în care puterea de ieșire a laserului nu este suficient de mică (la nivelul miliwaților). Acest lucru duce la o complicație a designului, deoarece energia de pompare va trece prin lichidul de răcire, care nu ar trebui să fie absorbit în mod vizibil de acest lichid.

De obicei, laserele cu stare solidă, pe lângă sursa de alimentare, sunt echipate cu un sistem special de răcire cu o pompă și un schimbător de căldură, ceea ce duce la o scădere a eficienței totale și necesită întreținere preventivă suplimentară în timpul funcționării.

O versiune a laserului ND:YAG pompat cu lampă este prezentată în fig. 3.20. Laserele ND:YAG pompate cu lămpi cu stare solidă au fost primele surse laser utilizate în sistemele CtP pentru flexografie. Astăzi sunt instalate în multe sisteme, deoarece sunt o soluție de încredere dovedită. Componentele unor astfel de lasere au fost dezvoltate de-a lungul mai multor decenii, iar astăzi sute de companii din întreaga lume sunt angajate în producția lor.

Figura 3.20. Versiunea laserului ND:YAG pompat cu lampă: 1 - oglindă; 2 - lampă pompă; 3 - cristal Nd:YAG; 4 - reflector; 5 - amortizor; 6 - oglinda de iesire; 7 - modulator de lumină; 8 - sistem optic de focalizare

O serie de deficiențe inerente acestor lasere au forțat, în unele cazuri, să caute un înlocuitor pentru ele. Dezvoltarea și îmbunătățirea tehnologiei laser în anii 90. a dus la răspândirea laserelor cu stare solidă, unde sursa de lumină a lămpii a fost înlocuită cu lasere semiconductoare (diode). Una dintre variantele sistemului optic al unor astfel de lasere este prezentată în Fig. 3.21.

Figura 3.21 – Varianta laser Nd:YAG cu pompare semiconductoare: 1 – oglinda retrovizoare; 2 – diode laser pompe optice; 3 – cristal Nd:YAG; 4 - corp; 5 - amortizor; 6 - oglinda de iesire, 7 - modulator de lumina; 8 - sistem optic de focalizare

Laserele pompate cu semiconductori (diode) folosesc diode laser de mare putere în loc de lămpi, emițând lumină cu exact lungimea de undă (808 nm) necesară pentru a genera radiație laser din cristalul laser Nd:YAG. Principala diferență dintre aceste lasere și laserele pompate cu lampă este o eficiență semnificativ mai mare (de un ordin de mărime) a conversiei radiațiilor de la diodele laser de mare putere, ceea ce face posibilă evitarea consumului mare de energie și eliminarea răcirii intense cu apă externă ( circuitul intern de răcire cu apă al corpului activ laser este încă necesar). Toate acestea fac sistemele de înregistrare a imaginilor cu astfel de lasere mai convenabile de utilizat.

Puterea laserelor pompate cu semiconductor face posibilă împărțirea fasciculului de radiație laser în mai multe fascicule controlate separat, fără a degrada calitatea radiației. Drept urmare, astfel de lasere sunt indispensabile pentru construirea sistemelor de înregistrare optică cu mai multe fascicule utilizate pentru a crește productivitatea, deoarece mai multe fascicule expun materialul în paralel.

În dispozitivele cu divizare a fasciculului laser (spre deosebire de sistemele în care sunt utilizate două lasere diferite), benzile nu apar pe harta de bit în timp. Se știe că în lasere, după ceva timp, poate apărea o ușoară abatere a fasciculului laser, care se exprimă într-o deplasare mică (câțiva microni) a punctului de înregistrare pe material într-o direcție arbitrară. Dar când se obțin două fascicule prin divizarea unui singur fascicul, acest decalaj pentru ambele spoturi de înregistrare are loc sincron și nu duce la probleme. Dacă sunt utilizate două lasere, atunci este posibilă nepotrivirea petelor, ceea ce duce la apariția benzilor în imagine. Acest efect poate fi eliminat doar prin recalibrare, care poate fi efectuată numai de personal special instruit.

Laserele cu stare solidă au următoarele vrednictu:

o lungime de undă mică face posibilă obținerea unui spot cu un diametru mai mic de 10 microni și creșterea semnificativă a rezoluției de înregistrare;

pierderile minime la trecerea prin ghidaje de lumină cu fibră optică și ușurința de modulare simplifică proiectarea sistemelor laser;

un număr semnificativ de materiale cunoscute (în special metale) au un coeficient de absorbție ridicat în regiunea lungimilor de undă emise, ceea ce facilitează dezvoltarea plăcilor de imprimare și crește eficiența scrierii cu laser.

În comparație cu laserele cu CO 2, acestea funcționează la o lungime de undă mult mai scurtă, ceea ce face posibilă focalizarea radiației laserelor cu stare solidă într-un punct mai mic. În comparație cu laserele cu argon, acestea oferă o valoare a eficienței de 2-3 ori mai mare. Avantajele lor includ și compactitatea, mobilitatea etc.

În comparație cu laserele cu gaz, laserele cu grenade sunt mai scumpe și necesită mai multă atenție la prevenire în timpul funcționării - este necesară înlocuirea periodică a lămpilor de pompare, menținând curățenia lichidului de răcire prin care se efectuează pomparea. În plus, într-un laser granat, există unele dificultăți în asigurarea stabilității radiațiilor.

În dispozitivele CtP echipate cu lasere cu stare solidă, companiile oferă plăci fotopolimerizabile și argintii, precum și plăci cu straturi hibride și sensibile termic. În acest caz, sub influența unui laser cu o lungime de undă de 1064 nm, straturile termosensibile pot fi supuse distrugerii termice, ablației sau structurii termice.

Laserele YAG cu stare solidă sunt utilizate în dispozitivele CtP Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) și multe altele. Cu toate acestea, recent, diodele laser au fost folosite din ce în ce mai mult în locul laserelor cu stare solidă.

În FNA, laserele cu stare solidă practic nu sunt folosite.