Тулиевый лазер: устройство и применение¶

Тулиевый лазер — твердотельный лазер, активной средой которого служат кристаллы или стёкла, легированные ионами тулия (Tl³⁺ в общепринятой записи — Tm³⁺). Генерирует излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, преимущественно с длиной волны около 1,9–2,1 мкм. Относится к классу твердотельных лазеров с оптической накачкой; широко применяется в медицине, промышленной обработке материалов, локации и научных исследованиях.

¶Физические основы

Тулий — редкоземельный элемент (лантаноид), его трёхзарядный ион Tm³⁺ обладает системой энергетических уровней, допускающей лазерную генерацию по квазитрёхуровневой схеме. Верхний лазерный уровень ³F₄ имеет относительно большое время жизни, что позволяет накапливать инверсию населённостей. Нижний уровень ³H₆ расположен близко к основному состоянию, поэтому для работы требуется охлаждение или достаточная мощность накачки.

Ключевая особенность тулия — возможность накачки непосредственно в полосу поглощения ³H₄→³F₄ излучением диодных лазеров с длиной волны около 790 нм. Каждый поглощённый фотон накачки способен возбудить до двух ионов тулия за счёт кросс-релаксационного процесса: энергия передаётся между соседними ионами, повышая квантовую эффективность почти до 2. Это делает тулиевые лазеры одними из наиболее эффективных источников в диапазоне 2 мкм.

¶История

Разработка тулиевых лазеров началась в 1960-х годах, вскоре после создания первого рубинового лазера. Первые образцы работали на кристаллах с примесью тулия при криогенных температурах. В 1965 году была продемонстрирована генерация на длине волны около 1,9 мкм в кристалле CaWO₄:Tm³⁺.

Существенный прогресс произошёл в 1980–1990-е годы, когда появились мощные и компактные лазерные диоды на арсениде галлия и арсениде индия-галлия, пригодные для накачки. В 1990-х годах были созданы волоконные тулиевые лазеры, а также лазеры на кристаллах YAG:Tm и YLF:Tm, работающие при комнатной температуре. К 2000-м годам мощность тулиевых волоконных лазеров достигла сотен ватт, а в отдельных установках — киловаттного уровня.

¶Устройство и материалы

Типичный тулиевый лазер включает:

• Активную среду — кристалл (YAG, YLF, YAP, Lu₂O₃) или стекло (силикатное, фторидное), легированное тулием; в волоконных лазерах — оптическое волокно с тулиевой сердцевиной.
• Источник накачки — лазерные диоды или волоконные лазеры на длине волны поглощения тулия.
• Оптический резонатор — зеркала или брэгговские решётки, обеспечивающие обратную связь.
• Систему охлаждения — для мощных моделей обязательна.

Введение сенсибилизатора — ионов гольмия (Ho³⁺) или эрбия (Er³⁺) — расширяет возможности накачки и повышает эффективность. Так, кристаллы Tm:Ho:YAG позволяют получать генерацию на длине волны около 2,1 мкм.

¶Характеристики

Излучение с длиной волны около 2 мкм хорошо поглощается водой и тканями, что определяет медицинские применения. Кроме того, этот диапазон безопасен для глаз в большей степени, чем излучение 1 мкм, поскольку не фокусируется на сетчатке так эффективно.

¶Применение

¶Медицина

Тулиевые лазеры используются в урологии для литотрипсии (дробления камней почек и мочеточников), в хирургии мягких тканей, в офтальмологии и дерматологии. Длина волны 1,9–2 мкм обеспечивает точное и контролируемое воздействие с минимальным повреждением окружающих тканей.

¶Промышленность

Применяются для резки, сварки и маркировки полимеров, композитов и металлов. Тулиевые волоконные лазеры конкурируют с CO₂-лазерами в обработке материалов, поскольку их излучение доставляется по гибкому оптоволокну.

¶Локация и связь

Излучение 2 мкм применяется в лидарах, дальномерах и системах атмосферной оптической связи, включая космические приложения. В этой области тулиевые лазеры используются в системах наведения и дистанционного зондирования.

¶Наука

Тулиевые лазеры служат источником накачки для параметрических генераторов, генерирующих излучение в среднем инфракрасном диапазоне, а также применяются в спектроскопии и квантовой оптике.

¶Развитие в России

В России исследования тулиевых лазеров ведутся в институтах Российской академии наук, в частности в Институте общей физики имени А. М. Прохорова и Институте прикладной физики РАН, а также в ряде технических университетов. Разрабатываются волоконные и кристаллические модели для медицинских и промышленных нужд. Отдельные образцы тулиевых лазеров находят применение в отечественных лидарных комплексах и технологических установках.

¶Перспективы

Основные направления развития — повышение мощности и КПД волоконных конфигураций, освоение фемтосекундных режимов, создание компактных мобильных медицинских аппаратов. Рост доступности мощных диодных лазеров накачки делает тулиевые системы всё более конкурентоспособными по сравнению с другими твердотельными лазерами среднего ИК-диапазона.

Источники: научные публикации по квантовой электронике и лазерной физике; обзоры по твердотельным лазерам; материалы профильных институтов РАН.