Типы лазеров и свойства лазерного излучения

 

В таблице на рис 7 перечислены типы лазеров, активные среды и применяемые способы накачки. Классификация лазеров производится как с учетом активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки).

Рассмотрим различные типы лазеров и соответствующие способы накачки; для каждого типа приведем конкретные примеры.

Попутно разъясним показанную на рис. 7 систему взаимосвязей между разными способами накачки.

Из указанных на рисунке способов накачки следует, прежде всего, выделить два способа – оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка имеет универсальный характер. Она применяется для возбуждения самых различных активных сред-диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей; соответствующие типы лазеров: твердотельные, полупроводниковые, жидкостные. Оптическое возбуждение может использоваться также как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического).Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разреженных газообразных активных средах – при давлениях 1…10 мм рт ст. Соответствующие типы лазеров (на атомных переходах, ионные, молекулярные) объединяют общим термином газоразрядные лазеры.

Твердотельные, жидкостные, полупроводниковые, газоразрядные лазеры широко применяются в самых различных областях науки и техники.

Рассматривая способы накачки, надо иметь в виду, что один и тот же способ может допускать, в свою очередь, два вида накачки – импульсную и непрерывную. Так, для оптической накачки используют как газоразрядные импульсные лампы, так и лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют как импульсные разряды, так и стационарные (квазистационарные). При импульсной накачке энергия возбуждения поступает в активный элемент порциями, импульсами, а при непрерывной накачке – непрерывно, стабильно.

Импульсная накачка обладает рядом преимуществ по сравнению с непрерывной. При импульсной накачке, когда инверсия реализуется лишь в течение некоторых промежутков времени, может оказаться несущественным требование быстрого очищения нижнего рабочего уровня. Импульсную накачку легче реализовать с технической точки зрения. Непрерывный и притом достаточно стабильный подвод энергии возбуждения к активной среде, как правило, технически сложнее импульсного. Кроме того, при импульсной накачке обычно отпадает необходимость в принудительном охлаждении нагревающегося активного элемента.

 

 

Рис. 7

 

 

Импульсная накачка позволяет реализовать различные импульсные режимы генерации – когда лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или в виде последовательности импульсов. При этом удается осуществлять исключительно сильную концентрацию во времени и пространстве излучаемой световой энергии.

 

Твердотельные лазеры

Полупроводниковые лазеры

Газовые лазеры

Химические лазеры

Электронные генераторы

 

Рассмотрим основные характеристики лазеров и лазерного излучения.

Длина волны излучаемой энергии –одна из характеристик лазеров. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т. е. от 0.001 до 100 мкм. За областью 100 мкм лежит, 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. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов. На рис. 8 отражено освоение электромагнитного диапазона создателями лазеров.

Коэффициент полезного действия является очень важной характеристикой лазеров. У твердотельных он составляет от

1 до 3.5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем применяются 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.

Монохроматичность. Одной из основных характеристик электромагнитного, в том числе оптического, излучения является ширина его спектра, т. е. диапазон частот или длин волн, который занимает излучение. Идеально монохроматического, одноцветного потока создать нельзя, это следует из самой природы излучения. Однако ширина полосы частот лазерного излучения чрезвычайно узка, что и определяет его высокую монохроматичность.

Когерентность. Свет, испускаемый лазером, обладает высокой степенью когерентности. В применении к колебаниям понятие когерентности означает связь или согласование между фазами различных электромагнитных волн в различных точках пространства в один и тот же момент времени или в одной и той же точке в разные моменты времени. Для тепловых источников света характерным является отсутствие когерентности, обусловленное неупорядоченным, спонтанным характером излучения.

Направленность. Под направленным излучением понимают излучение, распространяющееся в пределах очень небольшого телесного угла. Чем меньше телесный угол, тем больше направленность излучения. Лучшими из источников направленного излучения до появления лазеров были прожекторы. Если луч прожектора направить с Земли на Луну (384 тыс. км), то диаметр освещенного участка на Луне будет составлять 30-40 тыс. км, что превышает диаметр самой Луны. Диаметр пятна, образова на Луне лазером, всего около 3 км. Если же применить фокусирующее оптическое устройство, то диаметр этого пятна можно уменьшить еще в 10-20 раз.

Интенсивность. С помощью оптической системы когерентное излучение оптического квантового генератора можно сфокусировать в пятно чрезвычайно малых размеров, где плотность энергии будет очень большой. В настоящее время с помощью лазеров экспериментально достигнуты значения плотности потока излучения около 100 ГВт/(см^2) (напряженность электрического поля при этом составляет почти 10МВ/см). Для сравнения: плотность потока излучения Солнца составляет всего только

7 кВт/(см^2).

Указанные свойства лазерного луча позволяют концентрировать колоссальную световую энергию на площади с диаметром около тысячной доли миллиметра, то есть во много раз меньшей, чем поперечное сечение человеческого волоса. При таких условиях луч лазера может просверлить или даже расплавить такие прочные и сверхпрочные материалы, как сталь и вольфрам, алмаз и корунд, расплавить и испарить кирпич.