Պինդ մարմնային լազեր

Պինդ մարմնային Լազերը լազերի տեսակ է, որում որպես ակտիվ միջավայր օգտագործվում են պինդ մարմիններ, ի տարբերություն ներկանյութերի կամ գազային լազերների, որոնցում ակտիվ միջավայրը հեղուկ կամ գազ է։ Կիսահաղորդչային լազերների ակտիվ միջավայրը նույնպես պինդ է, սակայն, ընդհանուր առմամբ, սրանք համարվում է առանձին դաս։

 Պինդ մարմնային միջավայր 
Ընդհանրապես, պինդ մարմնային լազերների ակտիվ միջավայրը բաղկացած է ապակուց կամ բյուրեղից, որը լեգիրված է խառնուկներով, ինչպիսին են օրինակ Նեոդիումը, Քրոմը, Էրբիումը, կամ Իտերբիումը։ Հիմնականում խառնուկները հազվագյուտ հողային մետաղների իոններ են, քանի որ նման իոնների գրգռված վիճակները շատ թույլ են կապված իրենց բյուրեղային ցանցերի տատանումների (ֆոնոնների) հետ, և նրանց գեներացիայի սահմանին կարելի է հասնել համեմատաբար ցածր լազերային մղման ինտենսիվություններով։

Կան հարյուրավոր պինդ մարմնային ակտիվ միջավայրեր, որոնցում հաջողվել է ստանալ լազերային ճառագայթում, սակայն, սակայն նրանցից քչերն են ստացել լայն տարածում։ Դրանցից, թերևս ամենատարածվածն ND:YAG է. Նեոդիումի կամ Իտերբիումի ատոմներով լեգիրված ապակին կամ կերամիկան օգտագործվում են շատ բարձր հզորության և բարձր էներգիաների դեպքում։

Առաջին նյութը, որը օգտագործվել է լազերներում, եղել է սինթետիկ Սուտակը, որը մինչ այսօր օգտագործվում է որոշ դեպքերում, սակայն նրանք տարածված չեն, որովհետև իրենց էներգիայի արդյունավետությունը ցածր է։ Սենյակային ջերմաստիճանում, Սուտակի լազերները կարող են արձակել միայն կարճ իմպուլսներով լույս, բայց ցածր ջերմաստիճաներրում կարող են արձակել նաև անընդհատ ճառագայթում։

 Մղում 
Լազերների մղում ասելով, հասկանում են էներգիայի հոսքը արտաքին աղբյուրից դեպի լազերի ակտիվ միջավայր։ Այդ էներգիան կլանվում է միջավայրում, և ատոմներում առաջացնում գրգոված վիճակներ։ Բնակվեցության ինվերսիա ստացվում է, երբ որևէ գրգոված վիճակում մասնիկների թիվը գերազանցում է հիմնական կամ ավելի ցածր գրգռված վիճակում մասնիկների թիվը։ Այդ վիճակում միջավայրում կարող է տեղի ունենալ ստիպողական ճառագայթում և միջավայրը կդառնա Լազեր կամ օպտիկական ուժեղացուցիչ։
Մղման տեսակները բաժանվում են մի քանի խմբի։ Դրանք են Օպտիկական, Էլեկտրական, գազադինամիկ մղումները։ Կան նաև այլ մղման տեսակներ, որոնք սակայն շատ քիչ տարածում ունեն (օրինակ Միջուկային Մղման Լազեր՝ ՄՄԼ)։ Մղումը կոչվում է օպտիկական, երբ արտաքին աղբյուրից էներգիան ակտիվ միջավայր է մտնում լույսի միջոցով, դա կարող է իրականացվել ինչպես լամպերի, այնպես էլ մեկ այլ լազերի օգնությամբ։ Օպտիկական մղման խմբին են պատկանում նաև ռադիոհաճախային (ՌՀ) և միկրոալիքային մղումները։ Էլեկտրական մղման տեսակներից են ինչպես էլեկտրական լիցքի պարպումը գազում, գազային լազերներում, կամ էլեկտրական հոսանքի միջոցով մղումը կիսահաղորդչային լազերներում (դիոդային լազերներ), այնպես էլ էլեկտրոնների փնջով մղումը ազատ էլեկտրոնային լազերներում։ Գազադինամիկ մղման հիմքում ընկած են գազի թերմոդինամիկ հատկությունները։
Տրամաբանական պատճառներով նշված մեթոդներից ոմանք անհնար է օգտագործել պինդ մարմնային լազերներում (օրինակ գազադինամիկ մղմումը)։
Պինդ մարմնային լազերներում օգտագործվում են հիմնականում օպտիկական մղման եղանակները։ Ավելի լայն տարածում ունի լազերային մղումը, երբ մղման աղբյուրը դիոդային լազեր է, որը իր հերթին մղվում է էլեկտրական հոսանքով։
Դիոդային մղումով լազերները լայն տարածում են ստացել մի շարք առավելությունների պատճառով
 Լազերային դիոդները ունեն բարձր արդյունավետություն և կարող են աշխատել կոնկրետ մղման ալիքի երկարության վրա, որի արդյունքում արդյունավետությունը հասնում է 10-25%, որը, համեմատած օրինակ լամպային մղման 1-3% արդյունավետության հետ համեմատած բավական լավ արդյունք է։
 Մղման արդյունավետության հետևանքով փոքրանում է ակտիվ միջավայրի տաքացումը, ինչը նշանակում է, որ փոքրանում են մեխանիկական լարումները և նույն չափսերով բյուրեղի մեջ կարելի է ստանալ ավելի բարձր հզորություն առանց այն վնասելու։
 Ակտիվ միջավայրի ցածր ջերմաստիճանը հետևանք է դառնում վերջինիս ավելի համասեռ բաշխմանը, ինչը բերում է փնջի ավելի լավ որակի և կայունության բարձրացման։
 Լազերային դիոդները ավելի երկար են ծառայում (ավելի քան 10000 ժամ), քան օրինակ լամպերը (մոտ 100 ժամ)։
 Լազերային դիոդներով հնարավոր է դառնում ստեղծել անընդհատ պինդ մարմյանին լազերներ (CW), ինչը անհնար է, օրինակ լամպային մղման ժամանակ, քանի որ այդ դեպքում մղումը կատարվում է ֆոտոբռնկումների միջոցով։
Այս առավելությունների կողքին կան նաև որոշ թերություներ
 Լազերային դիոդները թանկ են, համեմատաշ լամպերի հետ։
 Լազերային դիոդները ենթարկվում են դեգրադացիայի, և դրանց հզորությունը աշխատանքի ընթացքում կարող է ընկնել մինչև 80%։
 Լազերային դիոդները ունեն հանկարծակի փչանալու հատկություն, և հարկավոր է միշտ ձեռքի տակ ունենալ պահեստային դիոդ։
 Լազերային դիոդները շատ ավելի զգայուն են։ Շրջապատի ջերմաստիճանի փոփոխությունները վատ են ազդում դրանց վրա։

Հաշվի առնելով այս ամենը, լազերային դիոդները մնում են պինդ մարմնային լազերներում մղման հիմնական աղբյուրը և դրանց փոխարինման ավելի լավ այլընտրանք չկա։

 Ռեզոնատոր 
Պինդ մարմնային լազերներում, ինչպես և մնացած լազերներում, ակտիվ միջավայրը ռեզոնատորի մի մասն է միայն։ Միայն ակտիվ միջավայրը բավարար չէ լազերային ճառագայթում ստանալու համար։ Ամենապարզ դեպքում այն պետք է տեղադրված լինի երկու հարթ զուգահեռ հայելիների միջև, որոնցից մեկը ճառագայթման ալիքի երկարության համար լինի անթափանց, այսինքն անդրադարձման գործակիցը լինի 100% (մուտքային հայելի), իսկ մյուսը լինի կիսաթափանց (ելքային հայելի)։ Ելքային հայելիի անդրադարձման գործակիցը հաշվարկվում է ամեն մի կոնկրետ լազերի համար առանձին։ Բացի հայելիներից և ակտիվ միջավայրից ռեզոնատորի մեջ կարող են լինել տարբեր օպտիկական դետալներ (օրինակ լինզաներ), որոնք ծառայում են փնջի որակի և/կամ կայունության բարձրացման համար։ Հայելիները կարող են լինել նաև գոգավոր։ Այս ամենը արվում է նաև, այսպես կոչված տարածական մոդերի ընտրության համար (անգլերեն TEM - Transverse Electromagnetic modes)։ Հիմնականում ընտրությունը կանգնում է TEM_00 մոդի վրա, որը իրենից ներկայացնում է կլոր փունջ, որի ներսում ինտենսիվությունը բաշխված է Գաուսյան օրենքով։
Որոշ պինդ մարմնային լազերներում հայելիները նստեցվում են հենց ակտիվ միջավայրի մակերևույթին։ Դրանք կոչվում են դիէլեկտրիկ հայելիներ, որոնք ըստ էության տարբեր բեկման ցուցիչներով դիէլեկտրիկներ շերտերի հաջորդականություն են։ Դրանց միջոցով հեշտությամբ կարելի է ստանալ կոնկրետ ալիքի երկարության համար կոնկրետ անդրադարձման գործակից։ Այսպիսի հայելիները լայնորեն օգտագործվում են պինդ մարմնային լազերների մի տեսակում, որը կոչվում է միկրոչիպ-լազեր։ Դրանցում ակտիվ միջավայրը փոքր է (գծային չափերը <1մմ), ինչը դժվարեցնում է արտաքին հայելիների օգտագործումը։
Ռեզոնատորներում կարող են օգտագործվել նաև ոչ-գծային բյուրեղներ, որոնք ծառայում են լազերի ճառագայթման հաճախականության կրկնապատկման կամ եռապատկման համար (երկրորդ կամ երրորդ հարմոնիկի գեներացիա)։ 
Այս մեթոդները (միկրոչիպ-լազեր, երկրորդ հարմոնիկի գեներացիա) հնարավորություն են տալիս էլ ավելի մեծացնել պինդ մարմնային լազերների կիրառության ոլորտները։ Ոչ-գծային բյուրեղի միջոցով Երկրորդ հարմոնիկի գեներացիայի շնորհիվ հնարավոր ճառագայթվող ալիքի երկարությունների թիվը շատանում է, իսկ չափերի փոքրացումը հնարավորություն է տալիս կիրառել դրանք այնպիսի տեղեր, որտեղ հնարավոր չէ օգտագործել մեծ չափսերի այլ լազերներ։

 Կիրառություն 
Պինդ մարմնային լազերները կիրառություններ են գտել տարբեր ոլորտներում։ Դրանք կարող են օգտագործվել ռազմական նպատակներով։ Օրինակ ամերիկայն F-35 ինքնաթեռներում պինդ մարմնային լազերները օգտագործվում են որպես լրացուցիչ զինատեսակFulghum, David A. "Lasers being developed for F-35 and AC-130." Aviation Week and Space Technology, (8 July 2002). Access date: 8 February 2006.Morris, Jefferson. "Keeping cool a big challenge for JSF laser, Lockheed Martin says." Aerospace Daily, 26 September 2002. Access date: 3 June 2007.Fulghum, David A. "Lasers, HPM weapons near operational status." Aviation Week and Space Technology, 22 July 2002. Access date: 8 February 2006.։ 2011 թվականին, ԱՄՆ-ում, փորձարկվել է գերհզոր պինդ պարմնային լազեր։ Արդյունքները գաղտնի են, սակայն ըստ փորձարկողների խոսքերի, այն խոցում է Մղոններ, ոչ թե Յարդեր։
Պինդ մարմնային լազերները, CO2 գազային լազերների հետ միասին կիրառություն են գտել նյութերի մշակման ոլորտում։ Դրանք հիմնականում օգտագործվում են կտրելու, ծակելու, մաքրման և այլ նպատակների համար։

 Ծանոթագրություններ 

Կատեգորիա:Քվանտային օպտիկա
Կատեգորիա:Լազեր
Կատեգորիա:Պինդ մարմնի ֆիզիկա