Помимо полупроводниковых, известны твердотельные лазеры на основе диэлектриков. Обычно эти устройства используют внутрицентровую люминесценцию, а возбуждение про­исходит не электрическим, а оптическим способом. Разновидности и параметры твердо­тельных лазеров иллюстрирует рис. 5.3.

В 1960 г. Т. Мейман описал лазер на ос­нове рубина. Кристалл А1203 содержит при­меси хрома в виде ионов Сг3+. При этом не­большая часть атомов алюминия (0,05%) замещается атомами хрома.

Уровни хрома располагаются в пределах широкой запрещенной зоны А1203 (АИ'» »6 эВ). Процессы поглощения энергии и излучения происходят внутри этих центров свечения (рис. 5.4).

Свет мощной ксеноновой лампы пере­водит электроны с основного уровня Е, на возбужденные уровни £3 и £,, образующие две широкие полосы. Примерно через 10 НС электроны падают на уровень £2, называе­мый метастабшьньш. Здесь они могут на­ходиться, примерно, 10_3 с. Разница энер­гий £3 - £2 превращается в теплоту.

На уровнях Е2 происходит накопление электронов и создается инверсная населен­ность по отношению к уровню Ех.

Свет с частотой V, согласно условию /»V = Е2 - Е вызывает вынужденные переходы с уровней Е2 на Е. Излучение имеет длину волны, соответствующую красному свету (А. = 0,69 мкм).

Конструкция твердотельного лазера изображена на рис. 5.5.

Кристалл рубина имеет вид цилиндра диаметром около 1 см и длиной около 10 см. Тор­цы кристалла отшлифованы и выполняют функции зеркал. Усиление и излучение света про­исходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.

Для миниатюрных оптоэлектронных устройств лучше подходит лазер на основе кри­сталлов иттриево-алюминиевого граната YAG. В эти кристаллы добавляются примеси не­одима (Y3Al50|2:Nd3+). Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия. Лазер из­лучает инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм. Для возбуждения можно использовать инфрактрасные светодиоды из GaAlAs с длинной волны (Д,« 0,081 мкм), соответствующей полосе поглощения неодима. Благодаря высокой концентрации центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт).

Лазер имеет малые размеры (длина резонатора около 1 см); кпд YAG-лазеров состав­ляет 1-20 %.

При правильном выборе спектра элемента накачки достигается 50%-ное использование оптической энергии.

Основной режим работы твердотельных лазеров — импульсный. Для них характерны большая мощность одиночного импульса, невысокая когерентность излучения. Многие из них нуждаются в охлаждении активного элемента и элемента накачки.

Улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения (когерентно­сти, монохроматичности, направленности) достигается за счет перехода к одномодовому режиму генерации и уменьшения энергетического кпд.