Szállézerek

Szállézerben az aktív közeg az optikai szál magja, melyet ritkaföldfémmel szennyeznek. Az alkalmazott optikai szál legtöbbsször  egymódusú és szilikon alapú. A pumpanyalábot a szál menti, longitudinális irányban csatolják be és vagy maga a mag vezeti (konvencionális egymódusú szállézerek), vagy pedig a mag körüli köpeny (duplaköpenyes szállézer). Hagyományosan használt optikai szál esetén mind a pumpa- (w_P),  mind pedig a lézernyaláb (w₀) transzverzális méretei összemérhetőek a mag sugarával (tipikus esetben a~2.5 μm). Ennek következtében w_P és w₀ 10-50-szer kisebb mint a három dimenzióban azonos mértékben kiterjedt (bulk) közegek esetén tapasztalt tipikus értékeik. Ugyanezen okokból a lézer küszöbteljesítménye (P_th) két, vagy akár három nagyságrenddel is kisebb lehet szállézer esetében, mint kiterjedt közegeknél.

Az ábra a  köpenyen keresztüli (cladding-) pumpálás esetét illusztrálja. A magot, mely általában egymódusú, az alacsonyabb törésmutatójú belső köpeny veszi körül, mely körül egy még alacsonyabb törésmutatójú külső köpeny található. A pumpáló nyaláb a belső köpenybe lép be, melynek előnye, hogy a nyaláb minőségére így sokkal lazább feltételek vonatkoznak, mintha közvetlenül a magba irányítanánk. A külső köpenyben terjedő pumpáló nyalábot a mag fokozatosan abszorbeálja.

Az Ytterbium YAG (Yb:YAG) lézer 1,03 µm-nél oszcillál, ezáltal a Nd:YAG lézer közvetlen versenytársa. Általában félvezető diódalézerekkel pumpálják.

A Nd:YAG-gal összehasonlítva, a tulajdonságok, melyekben a Yb:YAG lézerek erősebbek, a következők:

(1) Igen alacsony frakcionális melegedés.

(2) Hosszú sugárzási élettartamú felső lézernívó, emiatt különösen alkalmas Q-kapcsolásra.

(3) Az egyszerű nívószerkezet miatt magasabb szennyezési sűrűségek használhatók.

(4) Szélessávú (86 1/cm) kimenő sugárzás, emiatt ideális jelölt móduscsatolási műveletekhez (szub-pikoszekundumos lézerpulzusok).

A fenti kedvező tulajdonságokat azonban árnyalja az Yb:YAG-lézerek fő hátránya: az alacsony indukált emissziós hatáskeresztmetszet miatti magas lézerküszöb.

A pumpálás intenzitását lehetséges annyira megnövelni, hogy – egy konvencionális egymódusú optikai szálban - a kezdetben alapállapotban lévő atomi populáció jelentős hányada az aktív ion valamely felső energianívójára kerüljön. Ilyen körülmények között egy második pumpáló foton (azonos, vagy eltérő hullámhosszal) a populációt egy további, még magasabban fekvő nívóra emelheti. Ezt a szintet felső lézernívónak használva a lézerátmenet végbemehet úgy, hogy a kisugárzott fotonok energiája nagyobb lesz, mint az egyes pumpafotonoké (ld. az ábrát).

Szilícium-dioxid szálakban ennek fő akadálya az érintett nívók többfononos, nemsugárzásos bomlása. A nemsugárzásos bomlási ráták jelentős csökkentése úgy lehetséges, hogy hordozóként alacsony fononenergiájú anyagokat használunk. Ilyen anyagok közül a legtöbbször használt, optikai szálba integrálható közeg nehézfém-fluoridok keverékéből áll, röviden: ZBLAN (Cirkónium, Bárium, Lantán, Alumínium, Nátrium).

ZBLAN szálakból, amennyiben Tm³⁺-val szennyezettek és hármas, azonos hullámhosszú (λ=120–1,150 nm) fotoncsoportokkal pumpáljuk őket, igen hatékony felkonverziós lézer készíthető, mely λ=480 nm hullámhosszon, kék fénnyel sugároz.

Pr³⁺-val doppolt, két fotonnal (λ= 1, 010 nm és 835 nm) pumpált ZBLAN szálak több átmeneten is mutatnak lézeraktivitást  a látható spektrumon, pirostól kékig (λ = 491, 520, 605, 635 nm). A számadatok ígéretesek egy, a gyakorlatban jól használható, teljességgel szilárdtest alapú felkonverziós lézerforrás elkészítésére nézve.