Лазеры

Принято различать два  типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.

С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбуждённом состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации  лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твёрдотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Третий подход к классификации  связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергии взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения (последние привлекают сейчас пристальное внимание зарубежных военных специалистов). Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсныx лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации  основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 10⁶ Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 10⁵…10³ Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10^-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

В зависимости от конструкции открытого  зеркального резонатора различают  лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной  добротностью – у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.

                 Твердотелые лазеры

                      Полупроводниковые л.

 

                                                              

                             Газовые л.     Электронные

                    Химические л.    генераторы

             Эксимерные л.

 

   0,1    1,0   10   100 1000 10000 100000   мкм      Рис. 5

 

образно говоря, «целина». Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова (рис. 5). Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой  лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях к наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов – порядка 10³ Дж. Третьей характеристикой является мощность. Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10^-3 до 10² Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO₂. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале времени в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10^-4 с, следовательно, мощность составляет 10 000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10^-6 с, мощность составляет 10⁶ Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 10³ Дж и сократить его длительность до 10^-9 с и тогда мощность достигнет 10¹² Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 10⁵ Вт/см², то начинается плавление металла, при интенсивности 10⁷ Вт/см² – кипение металла, а при 10⁹ Вт/см² лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой  лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1...3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10...15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10^-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров  является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1...15%, у полупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Функциональная схема такого лазера приведена на рис. 6. Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока конденсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок конденсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпрямительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденсаторы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещества рубинового стержня, то рассмотрим его устройство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина сменные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров.

Используемый в приборе рубин  представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный – 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой температуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их делают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внутренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 – это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.

 

 

                                              Блок

                 поджига  

                        

       

 

                                 Излучающая               Пульт

                                                головка        управления

 

 

 

 

                                                             Блок                            Выпрямительный

        конденсаторов                    блок

 

 

Рис. 6. Функциональная схема оптического генератора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Для таких лазеров в качестве активного вещества используют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней (рис. 7). В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.

 

E, э-В

                           He⁺                                         Ne⁺

25

 

20                                                     2

 

19                                                                        3

 

 

                                                         4

 

 

                                He                                                Ne

    0         1                           1

 

Рис. 7. Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси.

 

ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР.

В этих лазерах рабочей средой служат жидкие диэлектрики с примесными рабочими атомами. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жидкостях. можно получить структуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых. не нужно ни варить стекло высокого качества, ни растить були для кристаллов. Во-вторых, жидкостью можно заполнять любой объем, а это облегчает охлаждение активного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.

Разработан метод получения  жидких активных веществ с примесями гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению стимулированного излучения жидкое вещество помещали в резонатор со сферическими зеркалами, подобный тем, которые используют в газовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в непрерывном режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочей системам.

Был создан и исследован жидкостный лазер с активным веществом, которое излучало в диапазоне 0,5...0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо проникает в воду на большие глубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подводных локаторов.

 

 

 

 

 

 

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР.

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым.

Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны  в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы (рис. 8). Нижняя представляет собой валентную зону, а верхняя – зону проводимости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют «дырками». Эти дырки играют роль положительного заряда. Произойдёт перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны.

E

                                      Зоны

                               Проводимости           Е-заполнение

 

                     Электроны

                                                                     Е-запрещение

Дырки  

                                                                   Е-незаполнение

 

 

     

       Валентная зона

Рис.8. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера.

 

 

 

ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР.

Химическим лазерам приписывают  практическое использование в самом ближайшем будущем. Они работают без электрического питания. Для этого потоки химических реагентов должны перемещаться и реагировать. Инверсия населенностей уровней энергии возникает при возбуждении энергией, выделяющейся в химической реакции. Для химического лазера имеется принципиальная возможность работы без внешнего источника электрической энергии. Вся необходимая энергия может быть получена за счет химической реакции. В одном из наиболее перспективных химических лазеров основные процессы могут быть представлены следующей серией реакции