Лекция № 4. Ширина лазерной линии в Гц
 Скачать 179.71 Kb.
|
38 B P R = π θ 2 2 (1.48) Спектральная яркость В ν = B/ ∆ν , где ∆ν - ширина лазерной линии в Гц. Лазер даже небольшой мощности имеет яркость, которая на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство является следствием высокой направленности лазерного пучка. Согласно одной из теорем оптики, яркость источника нельзя повысить с помощью оптической системы. Поэтому для повышения яркости необходимо улучшать модовый состав излучения и снижать угловую расходимость пучка. Мощность излучения или лучистый поток представляет собой энергию, переносимую излучением за единицу времени. Если энергия излучается в виде импульсов, то пользуются понятием импульсной и средней мощности. Средняя мощность излучения ОКГ обычно невелика, хотя существуют генераторы, развивающие в непрерывном режиме мощность до десятков кВт. По своей импульсной мощности и спектральной плотности мощности лазеры значительно превосходят все существующие источники в оптическом диапазоне спектра. Из лазеров, работающих в непрерывном режиме, наибольшую мощность имеют СО 2 -лазеры (десятки киловатт для промышленных образцов). Очень высокие уровни мощности имеют импульсные твердотельные лазеры на неодимовом стекле (до 10 11 - 10 13 Вт при наносекундной длительности импульса). 1.5. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ Существует большое количество типов лазеров, классифицируемых по самым различным признакам - агрегатному состоянию рабочего вещества, рабочей длине волны, способу накачки, мощности излучения, режиму генерации и т.д. Рассмотрим основные типы лазеров, основываясь на классификации по агрегатному состоянию активной среды. С этих позиций можно выделить: твердотельные лазеры; газовые лазеры, включая газодинамические, химические и эксимерные; полупроводниковые лазеры; лазеры на красителях. Хотя полупроводниковые лазеры по агрегатному состоянию твердотельные, их целесообразно рассмотреть отдельно из-за специфики в механизмах генерации. 1.5.1. Твердотельные лазеры Активными центрами в лазерах этого типа являются ионы, введенные в кристаллическую среду. Активные элементы (кристаллическая основа + 39 активные ионы) изготавливаются в виде стержней с отполированными торцевыми поверхностями, с нанесенными зеркальными покрытиями и также с обработанной поверхностью для эффективного введения излучения накачки. (Табл.1.1) Таблица 1.1. Размеры коммерческих лазерных стержней Длина, мм Диаметр, мм Материал максимальная типичная максимальный типичный Рубин 300 100 25 10 Nd - стекло 1000 300 75 14 Nd - ИАГ 150 75 10 5 Излучение накачки создается в импульсном или непрерывном режиме с помощью ламп различной формы и газового наполнения, а также с помощью лазера. Накачка с помощью лазера особенно эффективна. В качестве источников накачки применяются: ксеноновые лампы, криптоновые лампы, ртутные лампы высокого давления, галогенные лампы. Используемые для накачки импульсные лампы имеют стержневую (l = 10 - 50 мм, d = 5 - 20 мм) или спиральную форму. Различные твердотельные лазеры генерируют излучение в широкой спектральной области: 0.3 - 3 мкм в импульсном режиме; 0.69 - 2.6 мкм в непрерывном режиме. Излучение происходит в виде одиночных спектрально относительно узких линий, которые не являются перестраиваемыми. Само излучение характеризуется малой длиной когерентности L (менее одного метра); большими колебаниями интенсивности излучения; слаборегулярным распределением интенсивности по поперечному сечению пучка. Более высокое качество пучка возможно в непрерывном режиме при возбуждении моды ТЕМ 00 Для излучения импульсного лазера характерны пичковые режимы. При работе в импульсном режиме длительность импульса накачки равна примерно 5 мс. Генерация лазерного излучения начинается после примерно 0.5 мс. Длительность пичков примерно 1 мс. Многие из твердотельных лазеров работают по четырехуровневой схеме. Поскольку нижний уровень почти не заселен, этот тип лазеров обладает низкой пороговой мощностью (т.е. минимально возможная выходная мощность). Из указанных лазеров особо следует выделить рубиновый, Nd-ИАГ и лазеры на неодимовом стекле. 40 1.5.2. Рубиновый лазер Характерные концентрации ионов Cr 3+ в рубине - 0.01 - 0.5%. Так как система Cr 3+ : Al 2 O 3 работает по трехуровневой схеме, инверсия населенности достигается только при возбуждении 50% ионов Cr 3+ . Это приводит к высокому порогу генерации. Рубиновые лазеры могут работать в импульсном или непрерывном режиме. Из-за низкого КПД (около 0.1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по сравнению с другими твердотельными лазерами непрерывного действия. При работе в импульсном режиме без модуляции добротности выходное излучение лазера состоит из повторяющихся пичков длительностью около 1мкс с большой мощностью в максимумах. Излучение рубинового лазера характеризуется большой мощностью при невысоком качестве излучения (неоднородное распределение по поперечному сечению, пичковый характер излучения). 1.5.3. Неодимовый стеклянный лазер Этот лазер излучает в ближайшем ИК-диапазоне (l=1.06 мкм). В качестве активных ионов в стекло, используемое в качестве матрицы, вводят ионы Nd 3+ с массовым содержанием 0.5-8%. Nd-лазер работает по четырехуровневой схеме. Поскольку нижний лазерный уровень почти не заселен, то этот тип лазеров обладает относительно низкой пороговой мощностью (200 Вт), в результате чего нетрудно осуществить непрерывный режим работы. Для оптической накачки преимущественно применяют стержневые импульсные лампы с эллиптическим отражателем. Из-за особой структуры активного вещества лазеры на неодимовом стекле лучше всего подходят для генерации пикосекундных импульсов в режиме синхронизации мод. В этом режиме достигнуты максимальные мощности 10 12 - 10 13 Вт. Лазеры со стеклянной матрицей имеют ряд преимуществ - большие размеры стержней, простота изготовления, высокая оптическая однородность. В то же время по сравнению с ионными кристаллами стекла имеют более низкую теплопроводность и более высокий коэффициент термического расширения, что ограничивает сверху частоту повторения импульсов. Кроме неодима, лазеры на стекле могут быть активированы и другими редкоземельными ионами (иттербий, эрбий, гольмий, европий и др.). 1.5.4. Nd – ИАГ – лазеры В настоящее время лазер этого типа является важнейшим твердотельным лазером. Он характеризуется тем, что при относительно простой конструкции достигаются высокие мощности в импульсном режиме при высокой частоте 41 следования импульсов (до 10кГц) или даже в непрерывном режиме. Алюмо- иттриевый гранат является уникальным лазерным материалом, так как обладает высокой теплопроводностью, большой твердостью и хорошими оптическими характеристиками. Кристалл граната является матрицей, которая может быть активирована перечисленными выше редкоземельными элементами. Физический принцип получения инверсии населенности в этом лазере совпадает с лазером на стекле с неодимом. Отличие заключается в использовании кристаллической матрицы (Y 3 Al 5 O 12 ), а не аморфной (стекло). Активирование Y 3 Al 5 O 12 ионами Nd 3+ составляет 0.5-3.5%. Возбуждение среды происходит с помощью оптической накачки: в импульсном режиме - ксеноновыми импульсными лампами с цилиндрическим отражателем; в непрерывном режиме - галогенными лампами и криптоновыми дуговыми лампами с эллиптическими отражателями. Пороговая энергия составляет менее 5 Дж. Максимальная мощность лазерного излучения в импульсном режиме достигает 10 9 Вт, в непрерывном режиме -500 Вт. КПД составляет примерно 1%. 1.5.5. Газовые лазеры В качестве активных сред для газовых лазеров пригодны все газообразные при комнатной температуре элементы, большое число элементов в парообразном состоянии (например, пары металлов), большое число молекул. При создании инверсии населенности широко используется ударное возбуждение излучающих состояний при столкновениях атомов и молекул с электронами в газовых разрядах и электронных пучках. При этом большую роль обычно играют ступенчатые процессы с участием метастабильных атомов и молекул. Для лазеров, работающих на колебательных переходах в молекулах, может быть использована химическая или газодинамическая накачка. Примерная конструкция газового лазера приведена на рис.1.13. Рис.1.13. Принципиальная схема газоразрядного лазера. 1 - источник питания разряда. 2 - оптический резонатор. 3 - активный элемент. 4 - лазерное излучение. 1 2 2 3 4 42 Активная среда находится в пределах лазерной трубки, длина зоны возбуждения достигает от нескольких сантиметров до 200м (типично 0.3 - 1.5 м), а диаметр лазерной трубки 0.1 - 50 см (типично 0.1 - 2 см), наполнение газа стационарное или в проточной системе. Охлаждение газа, т. е. отвод тепловых потерь, происходит с помощью воздушного охлаждения при малой мощности; водяного охлаждения при средней и высокой мощности; быстрой замены газа при очень высокой мощности. По сравнению с твердотельным лазером, газовый лазер, благодаря лучшей однородности активной среды и более узкой ширине лазерной линии, имеет более высокие параметры излучения относительно длины когерентности, стабильности интенсивности излучения, расходимости пучка и однородности по поперечному сечению. Предельные физико-технические параметры газовых лазеров приведены в табл.1.6. Спектральные свойства лазерного излучения в основном определяются сильным неоднородным (доплеровским) уширением. При этом изменение доплеровской ширины в зависимости от длины волны равно: ∆ν = 50 МГц для λ = 10.6 мкм (СО 2 -лазер); ∆ν = 1.5 ГГц для λ = 0.633 мкм (Не-Nе-лазер); ∆ν = 3.5 ГГц для λ = 0.448 мкм (Аr + -лазер). Неоднородное уширение приводит к тому, что газовый лазер излучает на большом числе собственных мод и в результате образуется спектрально относительно широкая линия. Одномодовый режим работы лазера может быть достигнут, наряду с применением частотно-селективных элементов, с помощью коротких резонаторов. Таблица 1.1. Предельные параметры газовых лазеров Параметр Значение Тип лазера Мощность в непрерывном режиме, кВт 400 Газодинамический CO 2 -лазер Энергия импульса излучения, кДж 70 Быстропроточный CO 2 -лазер Импульсная мощность, ТВт 20 ТЕА-лазер на CO 2 Длительность импульса, пс 30 ТЕА-лазер на CO 2 КПД, % 50 Лазер на галогенидах инертных газов Минимальная длина волны, нм 116 H 2 -лазер Максимальная длина волны, мм 1,965 CH 3 Br-лазер 43 В зависимости от типа частицы, на переходах которой осуществляется генерация, различают атомные, ионные и молекулярные газовые лазеры. 1.5.6. Атомные лазеры Самым распространенным лазером на атомных переходах является Не- Ne-лазер. Этот лазер может работать в непрерывном режиме с малыми выходными мощностями. Он отличается небольшими размерами, простой и надежной конструкцией. В Не-Nе-лазере возможна генерация на многочисленных переходах между электронными уровнями атома неона. Наиболее употребительны лазеры с длиной волны излучения 632,8 нм. Создание инверсной населенности происходит в электрическом газовом разряде, причем заселение верхних уровней в основном происходит за счет неупругих столкновений с метастабильными атомами Не, которые возбуждаются при столкновениях с электронами. Свойства Не-Nе-лазера типичны для газовых лазеров и характеризуются большой длиной когерентности, высокой монохроматичностью, хорошим качеством пучка. Мощность гелий - неоновых лазеров обычно составляет 0,5 - 50 мВт и их использование связано, в основном, с измерительной техникой, голографией и т.д. 1.5.7. Лазеры на парах металлов Среди лазеров на переходах в атомах лазеры на парах металлов занимают важное место. Дело в том, что металлы обладают наиболее подходящей структурой энергетических уровней с точки зрения получения высокого квантового КПД. В качестве лазерного обычно используется переход из резонансного в метастабильное состояние. Такие лазеры могут работать только в импульсном режиме, так как время жизни нижнего состояния больше, чем верхнего и получили название лазеров на самоограниченных переходах. В настоящее время получена генерация на парах многих металлов - меди, золота, свинца, марганца, таллия, висмута, железа, бария, кальция, стронция и других. Промышленное значение имеют в основном лазеры на парах меди и меди-золота. Лазеры на парах меди дают излучение в зеленой (510,6 нм) и желтой (578,2 нм) областях спектра. В присутствии паров золота появляется красная линия (627,8 нм), т.е. излучение лазера становится трехцветным. Такие лазеры имеют среднюю мощность излучения до 20 Вт, а импульсную - до 200 КВт при длительности импульса 20 - 30 нс. Трудности создания лазеров на 44 парах металлов обусловлены высокой рабочей температурой (до 1700 К) активного объема и необходимостью обеспечения мощных коротких импульсов накачки в газовом разряде при частоте повторения в десятки килогерц. 1.5.8. Ионные лазеры В ионных лазерах генерация осуществляется на электронных переходах в ионах. Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер, в котором генерация может происходить на нескольких длинах волн в диапазоне от 454 до 528 нм. Заселение верхнего лазерного уровня происходит при электронных ударах. Накачка осуществляется мощным дуговым разрядом для создания высокой степени ионизации. Нижний лазерный уровень обладает очень коротким временем жизни, что обеспечивает высокую инверсность населенности. Мощность аргоновых лазеров достигает 500 Вт в непрерывном режиме при КПД порядка 0,1%. Из других ионных лазеров следует отметить криптоновые и гелий-кадмиевые. Заселение верхнего лазерного уровня иона кадмия осуществляется при столкновениях метастабильных атомов гелия с атомами кадмия. Возможны два лазерных перехода с длинами волн 325 и 441,6 нм. 1.5.9. Молекулярные лазеры Генерация лазерного излучения была получена на большом количестве молекул и их излучение охватывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазон спектра. Рассмотрим некоторые наиболее часто используемые типы молекулярных лазеров. Газовые лазеры в УФ-диапазоне (N 2 и Н 2 лазеры). Азотный лазер является высокомощным лазером с коротким временем нарастания импульса, с высокой частотой следования импульсов. Из-за незначительного времени жизни верхнего уровня инверсия заселенности достигается только при возбуждении короткими импульсами (<15нс). Для достижения высоких энергий в импульсе требуется большая электрическая мощность возбуждения. Благодаря очень быстрому усилению в активной среде, из-за чего вся инверсная населенность снимается в один проход, N 2 -лазер может работать без резонатора. Рабочая длина волны азотного лазера составляет 337,1 нм. Н 2 -лазер является мощным импульсным лазером в вакуумном УФ- диапазоне (рабочие длины волн 116, 123, 160 нм) с малой длительностью импульса. По принципу действия он аналогичен азотному. 45 1.5.10. Эксимерные лазеры Класс импульсных газовых лазеров, объединенных названием "эксимерные", возник сравнительно недавно. Лазеры этого класса работают на переходах между двумя термами молекулы, нижний из которых является отталкивательным и составлен обычно из атомов в основном состоянии. Верхний терм лазерного перехода имеет потенциальный минимум (рис.1.14). Такие молекулы существуют только в возбужденном состоянии, откуда и происходит название этого типа лазеров. Особенности работы этого лазера состоят в следующем. В результате процессов в возбужденном газе образуется эксимерная молекула в электронно-возбужденном состоянии на некотором колебательном уровне. Линия излучения такой молекулы относительно широка. Ширина линии испускания перехода в эксимерном лазере на несколько порядков превышает значение этой величины для других типов лазеров. Рис.1.14. Схема потенциальных кривых эксимерных молекул. Таким образом, сечение индуцированного излучения для перехода в эксимерном лазере весьма мало и этот лазер может работать только при относительно высокой интенсивности накачки. Поэтому существующие эксимерные лазеры работают только в импульсном режиме. По той же причине эксимерные лазеры появились значительно позже других типов лазеров. Kr + +F - Kr+F X 2 Σ X 2 Π 2 Σ 0 5 Е,эВ r лазерный переход ( 2 Σ - X 2 Σ ) 46 Впервые описанный механизм создания инверсной заселенности был реализован Н. Г. Басовым с сотрудниками в жидком ксеноне, на переходах между возбужденным (метастабильным) и основным (отталкивательным) термами молекулы Xe 2 . В дальнейшем генерацию на молекулярном ксеноне осуществили в плотном газе при давлении, в десятки раз превышающем атмосферное. Интерес к эксимерным лазерам резко возрос с 1975 года, когда, с одной стороны, было показано, что возбужденные эксимерные молекулы моногалогенидов инертных газов могут интенсивно образовываться при тушении метастабильных атомов инертного газа галоидосодержащими молекулами, а с другой стороны, были созданы первые мощные эксимерные лазеры с выходной мощностью импульса несколько джоулей. В настоящее время существуют эксимерные лазеры с энергией импульса до 300 Дж при длительности импульса порядка 50 нс и КПД = 10% (эти лазеры могут работать на переходах с длинами волн 193,3; 248,4 и 353 нм). Указанные параметры являются рекордными для всех лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов. Эксимерные лазеры являются, как правило, ультрафиолетовыми лазерами и перекрывают широкую область спектра. В таблице 1.3 представлены длины волн для центров линий перехода возбужденных молекул, составляющих основу существующих эксимерных лазеров. Таблица 1.3. Параметры переходов в эксимерных лазерах. Молекула, переход между состояниями которой создает лазерное излучение Длина волны в центре линии перехода, нм Эквивалентный электронный переход в атоме Ширина спектра усиления, нм Ar 2 Kr 2 Xe 2 ArF KrCl KrF XeBr XeCl XeF XeO KrO ArO 126.1 146.7 172 193.3 222 248.4 281.8 308 351.1 540 557.7 558 Ar(P) → Ar( 1 S) Kr(P) → Kr( 1 S) Xe(P) → Xe( 1 S) Ar(P) → Ar( 1 S) Kr(P) → Kr( 1 S) Kr(P) → Kr( 1 S) Xe(P) → Xe( 1 S) Xe(P) → Xe( 1 S) Xe(P) → Xe( 1 S) O( 1 S) → O( 3 P) O( 1 S) → O( 3 P) 8 13.8 20 1.5 5 4 1 2.5 1.5 25 1.5 4 47 Кроме того, из-за большой ширины линии перехода эксимерные лазеры могут работать как перестраиваемые в достаточно широкой области спектра. Можно надеяться, что на основе эксимерных лазеров будет создан класс перестраиваемых лазеров, длина волны которых плавно перекроет всю область длин волн, начиная от границы видимого спектра (400 нм) до 200 нм. Приведенные выше параметры эксимерных лазеров ставят их вне конкуренции среди лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов с точки зрения перспективы применений в нелинейной оптике, фотохимии, фотолитографии, технологии, в качестве источника накачки перестраиваемых жидкостных лазеров, а, возможно, и в экспериментах по лазерному нагреву. 1.5.11. Газовые лазеры в инфракрасной области спектра Эти газовые лазеры наряду с характерными для всех газовых лазеров свойствами характеризуются прежде всего незначительной шириной линии и ограниченными возможностями перестройки при высокой мощности. Вынужденное излучение в ИК-области спектра можно получить на переходах между: колебательно-вращательными уровнями молекул в основном электронном состоянии в средней и дальней ИК-области (HF-, CO-, CO 2 -лазеры, H 2 O-,SO 2 - лазеры); вращательными уровнями в основном электронном состоянии в дальней ИК- области (HF-, CH 3 F-лазеры). Одним из важнейших типов данного класса приборов является СО 2 - лазер. Его КПД (больше 20%) превышает КПД почти всех лазеров. В СО 2 - лазере получены самые малые для газовых лазеров длительности импульсов (<30пс). При непрерывном режиме достигается очень высокая стабильность частоты ∆ν / ν = 0.001. Кроме того, для СО 2 -лазеров достигнуты рекордно высокие мощности генерации как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Лазерное излучение возникает при переходах между колебательно- вращательными уровнями молекулы в основном электронном состоянии. Длины волн генерируемого излучения находятся в интервале 9,2 - 11,4 мкм, а наиболее интенсивное излучение получено на длине волны 10,6 мкм. Заселение верхнего лазерного уровня может происходить за счет всех характерных для газовых лазеров способов создания инверсии. Однако наиболее часто используется накачка в газовом разряде. Активная среда газоразрядного лазера 48 представляет собой смесь углекислого газа, азота и гелия. Заселение верхнего лазерного уровня происходит при прямых электронных ударах, ступенчато - за счет резонансной передачи энергии от колебательно возбужденных молекул азота и при каскадных переходах. 1.5.12. Химические лазеры В химических лазерах генерация электромагнитного излучения происходит в результате протекания химических реакций. Так при взаимодействии фтора и водорода (дейтерия), активированном нагретым в дуговом разряде азотом, создается инверсная населенность возбужденных молекул HF или DF, обеспечивающая лазерное излучение на длинах волн 2,6 - 3,5 или 3,6 - 5 мкм. В хемолазерах с переносом энергии возбужденные молекулы фтористого водорода или дейтерия передают свою энергию молекулам углекислого газа, и наблюдается лазерное излучение последних на длине волны 10,6 мкм. Известны химические лазеры, работа которых инициируется ударной или взрывной волной, а так же электрическим разрядом. Фотодиссоционные лазеры так же являются частным случаем химических лазеров. Основным процессом, приводящим к появлению инверсной заселенности в хемолазере является химическая реакция, в результате которой образуются атомы, молекулы или радикалы в возбужденном состоянии. Наиболее известный хемолазер - на фотодиссоциации молекул CF 3 J. 1.5.13. Газодинамические лазеры Активное вещество газодинамического лазера представляет собой смесь азота и двуокиси углерода. Инверсная населенность энергетических уровней в этом лазере создается за счет дифференцированной колебательной релаксации, вызываемой столкновением молекул в процессе сверхзвукового расширения газа. Согласно теоретическим расчетам, газодинамические лазеры способны создавать непрерывное лазерное излучение мощностью в несколько сот тысяч киловатт в области инфракрасного излучения. В газодинамическом лазере применяется тепловая накачка за счет сгорания окиси углерода и реактивный принцип истечения активного вещества. Лазерная камера напоминает по внешнему виду камеру сгорания реактивного двигателя. Она снабжена сужающимся и расширяющимся соплом, назначение которого состоит в получении за соплом пониженных температур и 49 давления газа в целях создания инверсной населенности энергетических уровней. Принцип работы газодинамического лазера основан на расширении газовой смеси и резком снижении ее температуры и давления за время, гораздо меньшее, чем это требуется для протекания процессов колебательной релаксации верхнего энергетического уровня лазерной системы. Принцип действия газодинамических лазеров на углекислом газе показан на рис.1.15. В смесительной камере 1 лазера находится смесь нагретых газов (углекислого газа - 75%, азота - 22% и водяных паров - 3%). Поскольку в процессе генерации газовая смесь должна постоянно истекать из камеры, то для такого истечения газов могут быть использованы различные способы, и в частности нагревание в газообменном аппарате, сжигание соответствующего топлива и т.д. Рис .1.15. Схема газодинамического лазера на молекулах СО 2 Возбужденные молекулы азота передают колебательную энергию молекулам углекислого газа. Давление и температура в смесительной камере достигают соответственно 1,7 МПа (17атм) и 1400 К. Скорость истечения смеси газов за соплом 2 составляет 1360 м/с, в результате чего в лазерной камере 3 (область расширения сопла) давление и температура понижаются соответственно до 104 Па (0,1 атм) и 350 К. Вытекающие газы поступают в область генерации 4, которая находится вне камеры лазера. Температура и давление газовой смеси падают настолько быстро, что энергия колебаний стимулированных молекул "замораживается" в состоянии высокой энергии. Вследствие этого повышается инверсная населенность уровней возбужденных CO,CO 2 ,N 2 ,O 2 1,7·10 6 Па,1400К CO 2 ,N 2 10 4 Па, 350К излучение лазера 50 молекул азота в области 3 при сохранении ими энергии колебаний, которой они обладали при первоначальной температуре "замороженного" газового потока до сопла (1400 К). При дальнейшем снижении давления возбужденные молекулы азота сталкиваются с молекулами углекислого газа и передают им свою энергию колебаний. Получившие энергию возбужденные молекулы углекислого газа создают когерентное монохроматическое излучение на волне 10,6 мкм. Генерация лазерного излучения происходит в области 4, где расположен резонатор, состоящий из плоских медных зеркал 5. В газодинамических лазерах зеркала оптического резонатора нуждаются в интенсивном охлаждении из-за довольно большого коэффициента поглощения излучения медных зеркал. Таким образом, в объемном оптическом резонаторе лазера 4 и 5 путем возбуждения молекул углекислого газа генерируется излучение с длиной волны 10,6 мкм в режиме непрерывного излучения. Первый газодинамический лазер развивал мощность генерации в непрерывном режиме около 60 кВт. Существуют газодинамические лазеры, мощность которых превышает 200 кВт. Газодинамические лазеры имеют сравнительно низкий КПД, который в настоящее время достигает 10 - 15%. Это объясняется неэффективностью первоначального нагревания газовой среды. Одним из способов повышения КПД газодинамических лазеров является применение замкнутого цикла, при котором отработавшая (но еще горячая) газовая смесь возвращается обратно в камеру сгорания или другой источник нагревания. К недостаткам газодинамических лазеров следует также отнести их большие габариты, потребление большого количества горючего, сильный шум при работе, что отрицательно сказывается на обслуживающем персонале. Дальнейшим развитием газодинамических лазеров являются электроаэродинамические лазеры, в которых возбуждение молекул азота осуществляется в электрической дуге. КПД таких лазеров достигает 30%, а выходная мощность - до 100 КВт. 1.5.14. Электроионизационные лазеры Накачка в таком лазере создается с помощью электронного пучка высокой энергии (>100 КэВ), вводимого в активную среду через тонкую алюминиевую фольгу. В качестве активной среды обычно используется смесь азота и углекислого газа. В этих лазерах достигается очень высокая энергия в импульсе при КПД до 50%. 51 1.5.15. Полупроводниковые лазеры P-n-(полупроводниковый)-диод - основной элемент полупроводникового лазера. Действие лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в p-область, где происходит их излучательная рекомбинация с имеющимися там дырками. Для создания состояния с инверсией населенностей необходима большая концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того чтобы инжекция электронов в p-область превышала инжекцию дырок в n-область (где рекомбинация безызлучательная, а, следовательно, ток дырок в n-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в p- области. Таким образом, для получения состояния с инверсией населенностей в p-области необходима высокая степень легирования примесями обеих областей p-n-перехода. Излучателем является узкая часть p-области, прилегающая к p-n- переходу. Конструкция лазерного диода показана на рис.1.16. Зеркалами являются гладкие грани самого полупроводникового кристалла, получаемые обычно скалыванием его краев. Вынужденное излучение происходит параллельно р-n-переходу (рис.1.16). Типичными размерами лазерного кристалла являются (мкм): длина 100 - 500 ширина 200 - 400 высота 80 - 100 толщина области рекомбинации 1 - 3 Отрицательный электрод n-GaAs( Подложка) GaAs( активный слой) Положительный электрод p-GaAs Радиатор x 1-x n-Al Ga As x 1-x p-Al Ga As Свет Рис.1.16. Схематическое изображение конструкции полупроводникового (инжекционного) лазера. 52 Материалом для полупроводниковых лазеров могут быть соединения типа: А 3 В 5 (GaN, GaSb, InP, GaInAs, и. т. д.) А 4 В 4 (PbS, PbTe, PbSSe, и. т. д.) А 2 В 6 (ZnO, CdS, ZnCdS и. т. д.) А 3 В 6 (GaSe, InSe и. т. д.) Инжекционные лазеры по сравнению с другими типами лазеров отличаются высоким КПД (до 80%), простотой возбуждения, малыми размерами, низким напряжением накачки, высокой надежностью. Изменяя состав активной среды можно варьировать длину волны излучения в широком интервале. Меньшую перестройку длины волны в данном материале можно осуществлять за счет изменения температуры, давления, напряженности магнитного поля. В пределах участка непрерывной перестройки частоты инжекционный лазер характеризуется очень высоким спектральным разрешением. Ширина линии достигает 10 -5 - 10 -6 см. Мощность излучения в многомодовом режиме составляет несколько милливатт, в одномодовом режиме около 0.1 - 1 мВт. Созданы промышленные полупроводниковые лазеры мощностью несколько Вт и интегральные лазерные решетки мощностью десятки Вт. Одна из важных проблем полупроводниковых лазеров - создание приборов для коротковолнового диапазона. В настоящее время созданы лазеры для синей области спектра на основе нитрида галлия, материалов группы А 2 В 6 . Следует отметить, что в последнем случае имеются значительные трудности при создании n-p-перехода, и лазерные диоды реализуются на переходе полупроводник-металл (диоды Шотки). 1.5.16. Жидкостные лазеры В жидкостных лазерах вынужденное излучение возникает на флуоресцентном переходе в молекулах органического красителя. Концентрация красителя составляет 0,005 - 0,0001 моль/л. лазеров. Электронные состояния красителей имеют многочисленные колебательные и вращательные уровни, которые за счет взаимодействия друг с другом и соседними молекулами (растворителя) так сильно уширены, что переходы между электронными состояниями в спектре флуоресценции образуют широкие полосы. Создание инверсии населенностей происходит с помощью оптической накачки. В качестве мощного источника света используют либо импульсные лампы, либо лазеры (азотные, Nd-ИАГ, ионные) (рис.1.17). 53 лазерное излучение проточная кювета з е р к а л о вход красителя выход красителя лампа накачки источник питания лампы Рис.1.17. Примерная конструкция жидкостного лазера Лазеры на красителях генерируют электромагнитное излучение в спектральном диапазоне от 0.32 до 1.22 мкм. КПД этих лазеров порядка 1%. Обычно жидкостные лазеры работают в импульсном режиме. Наиболее важным свойством лазеров на красителях является возможность перестройки частоты излучения в широких пределах (с одним красителем несколько десятков нм). Более широкая перестройка частоты может осуществляться изменением состава, концентрации и температуры раствора. Достоинства жидкостных лазеров: возможность перестройки частоты; малая расходимость излучения; высокая степень пространственной когерентности. Недостатки: малый КПД; малая монохроматичность; низкая степень временной когерентности. Большая ширина линии генерации может быть отнесена и к достоинствам с точки зрения использования их в режиме синхронизации мод: таким образом, получены световые импульсы длительностью около 1пс. |