Глава 1. Лазеры, используемые для воздействия на материал

1.1. Различные подходы при классификации лазеров

 

В мире существует огромное множество лазеров, работающих на разных активных средах, использующих различные способы накачки (инвертирования) этих сред, отличающихся размерами, данными выходной мощности или энергии и характеристиками самого излучения. В лазерах используются различные активные среды и способы генерации излучения. В настоящее время основными лазерами, которые хорошо разработаны и нашли широкое применение, являются следующие типы лазеров:

1) твердотельные (на кристаллах и стеклах);

2) газовые;

3) лазеры на красителях;

4) химические;

5) полупроводниковые;

6) лазеры на центрах окраски;

7) лазеры на свободных электронах;

8) рентгеновские.

На рис.1.1 приведены диапазоны длин волн, этих лазеров [2].

 

Рис. 1.1. Диапазоны длин волн генерируемых лазерами (кроме рентгеновских)

Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход 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.На вход генератора излучение на частоте перехода 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, газовыми, жидкостными, полупроводниковыми.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. 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 лазеры - средней мощности. Если же выходная мощность менее 103 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.

Лазеры также делятся на классы, в зависимости от излучения, которые в различной степени воздействуют на человека. Различают:

Класс 1. Лазеры и лазерные системы малой мощности, которые не могут излучать уровень радиации, превышающие максимально разрешимое облучение. Лазеры и лазерные системы Класса 1 не способны причинить повреждение человеческому глазу;

Класс 2. Видимые, маломощные лазеры способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если смотреть непосредственно на лазерное излучение на протяжении длительного периода времени. Не следует использовать на уровне головы;

Класс 3a. Лазеры и лазерные системы, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазерное излучение невооруженным взглядом только на протяжении кратковременного периода. Лазерное излучение может представлять опасность, если смотреть на него через оптические инструменты (бинокль, телескоп);

Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазерное излучение. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча;

Класс 4. Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить повреждение человеческому глазу короткими излучениями (<0.25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отраженного. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение на коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющие и горючие материалы.

 

 

1.2 Типы лазеров

 

В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры можно разделить на несколько типов (рис.1.2.) - твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п.

Отдельное место занимают квантовые усилители - лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в активной

Дадим определение коэффициенту полезного действия (КПД) лазера. Различают теоретически возможный (квантовый выход) и реальный (полный) КПД. Последний определяется отношением мощности излучения лазера к мощности, потребляемой от источника накачки. У газовых лазеров полный КПД составляет 1-20% (гелий-неоновый - до 1%, углекислотный 10-20%,), у твердотельных - 1-6%, у полупроводниковых - 10-50% (в отдельных конструкциях до 95%). Поэтому только полупроводниковые лазеры можно применять в автономной и портативной терапевтической аппаратуре.

Далее будут рассматриваться семейства лазеров по широте их применения в технологии [3, 4]. Также будут приведены новейшие разработки в лазерной технологии [5].

 

1.3. Газовые лазеры

 

Они были созданы 1960 году. На рисунке 1.3 представлена принципиальная схема газового лазера [2].

Рис. 1.3. Схема газового лазера: 1 – охлаждаемая водой разрядная трубка; 2 – система электродов; 3 - газоразрядная плазма; 4 - глухое зеркало резонатора; 5 - полупрозрачное зеркало резонатора.

 

В газовых лазерах активной средой являются газ, смесь газов или смесь газа с парами металлов низкого давления. Энергетические уровни в газах узкие, так как механизмы уширения, действующие в газах, слабее, чем в твердых телах, а поскольку в такой активной среде отсутствуют широкие полосы поглощения, то оптическая накачка с ее широким спектром излучения не эффективна. Газовые лазеры накачиваются электрически, прохождением через среду электрического тока (тлеющим разрядом). В непрерывном режиме работы активная среда возбуждается стационарным тлеющим разрядом, в импульсном - импульсным разрядом высоковольтного источника с частотным повторением импульсов» 10³ Гц. Хотя существуют и другие пути накачки: метод газодинамического расширения, химической накачки, излучением другого лазера и т.д.

В газе из возбужденного состояния частица может перейти на более низкие уровни, кроме лазерной релаксации, как минимум четырьмя другими способами (за счет столкновений с электронами, другими атомами, стенками сосуда и т.д.). Поэтому процесс создания инверсии населенности в газовых средах намного сложнее, чем в твердых телах. Инверсия населенности возникает при выполнении одного или двух фундаментальных условий:

1) скорость возбуждения верхнего лазерного уровня больше, чем нижнего;

2) скорость релаксации верхнего уровня меньше, чем нижнего. Последнее условие необходимо для реализации непрерывной генерации.

Большой класс лазеров работает на нейтральных атомах инертных газов. Наибольшее значение среди них приобрел гелий-неоновый (He - Ne) лазер, с наиболее часто используемыми линиями генерации l = 0,633 (красная) и 0,543 мкм (зеленая). Основное преимущество такого лазера - это излучение света в видимой области. В лазерной технологии эти лазеры используются главным образом для юстировки технологических лазеров и как источник видимого света.

В последнее время разработаны и находят все большее применение лазеры, работающие на парах металлов. Как правило, все они работают в видимой области.

Самым большим классом газовых лазеров, в основе работы которых лежат переходы между энергетическими уровнями молекулы, являются молекулярные газовые лазеры. В зависимости от типа участвующего в генерации перехода молекулярные лазеры делятся на три класса:

- первый, это лазеры на колебательно-вращательных переходах, (это переходы между колебательными уровнями одного и того же электронного (основного) состояния). Диапазон генерации волн лежит в пределах l = 5-300 мкм. В настоящее время из этого класса наиболее важное значение приобрели квантовые генераторы, работающие на молекулах углекислого газа, так называемые CO₂- лазеры;

- второй, это лазеры, работающие на электронно-колебательных переходах (азотные лазеры, эксимерные);

- третий, это лазеры на чисто вращательных переходах с длиной волны генерации 25 мкм -1 мм.

 

1.3.1. СО₂ - молекулярные газовые лазеры.

 

В этих генераторах используется специальная смесь газов СО₂ , N₂ и He. Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы CO₂, а N₂ и He служат для повышения КПД. Эти лазеры сейчас являются одними из самых мощных (примерно 80 кВт) и наиболее эффективных (КПД ~ 15 - 20%). Длины волн генерации составляют 10,6 и 9,5 мкм.

На рис.1.4 приведена схема энергетических уровней основных электронных состояний молекулы СО₂. Эта молекула имеет три невырожденные колебательные моды (рис.1.5):

1) симметричную валентную моду (u₁),

2) деформационную моду (u₂),

3) асимметричную валентную моду (u₃) и описывается квантовыми числами n₁, n₂ и n₃, которые определяют число квантов в каждой колебательной моде.

Рис. 1.4. Колебательные уровни основных электронных состояний СО₂ и переход в молекуле N₂ (обозначения уровней означает колебательную моду и число квантов в каждой моде

 

Так, запись 02⁰0 означает, что уровень относится к моде 2 (см. рис. 1.5) и имеет два кванта. Переход в N₂ помогает более эффективной накачке энергетических уровней СО₂. Мода 2 соответствует уровню с наименьшей энергией, и тогда генерация идет на переходах 00⁰1 - 10⁰0, что соответствует длине волны генерации (10,6 мкм) и 00⁰1 - 02⁰0 (9,6 мкм).

 

Рис.1.5. Три фундаментальные моды колебаний молекулы СО₂:

u₁ - симметричная валентная мода; u₂ - деформационная мода;

u₃ - асимметричная валентная зона.

 

Накачка на верхний уровень происходит непосредственно через столкновение молекулы с электронами: е + СО₂ (000) ® е + СО₂ (001) (при этом молекула остается в основном состоянии) и через резонансную передачу энергии от молекулы N₂, так как высокоэнергетические колебательные моды N₂ находятся почти на одном энергетическом уровне соответствующей моды СО₂.

Конструктивно СО₂ - лазеры разделяются на семь типов и отличаются по скорости и направлению прокачки газовой среды, по величине ее давления, а также механизмами и способами накачки. Все указанные лазеры имеют общую особенность, а именно: высокий КПД (15-20%), который является следствием большого квантового выхода (~40%) и высокой эффективности процесса накачки. Рассмотрим пять основных типов лазеров.

 

1.3.2. СО₂ - лазеры с медленной продольной прокачкой

В таких системах газовая смесь медленно прокачивается вдоль охлаждаемой лазерной трубки для удаления продуктов диссоциации, например СО, и отвода тепла через стенки резонатора. Главным ограничением этого лазера является зависимость выходной мощности от единицы длины разряда:

W_л»I_p ×p×D² ×l

здесь D - диаметр активной среды, l - ее длина, p - давление газа.

При оптимальных значениях I_р и постоянном значении p×D = 22,5 мм.рт.ст.×см величина выходной мощности прямо зависит от длины резонаторной трубки. Лазеры данной конструкции имеют относительно низкую мощность (50-100 Вт), для увеличения которой их делали очень длинными - до 100 м. Этот недостаток удалось устранить, изготовив резонатор в свернутом виде, то есть в виде многотрубной укладки, а электроды - в виде щетки или гребенки по всей длине трубки. В этом случае удалось значительно сократить расстояния между электродами, а это, в свою очередь, позволило увеличить давление рабочей смеси (так как для поддержания устойчивого разряда в трубке требуется выполнение условия p × l = const) и тем самым увеличить число активных центров. Такие усовершенствования привели к уменьшению размеров лазеров в сотни раз при сохранении мощности.

В лазеры такой конструкции используются для подгонки резисторов, резки керамических пластин в электронной промышленности, а также для сварки тонких металлических пластин (<1 мм).

 

1.3.3. СО₂ - лазеры с быстрой продольной прокачкой

 

В таких конструкциях газовая смесь прокачивается со сверхзвуковой скоростью, что дает возможность охлаждать ее путем быстрого удаления смеси из рабочей зоны в охладитель и тем самым преодолеть ограничение на выходную мощность. Прокачка с большой скоростью означает увеличение количества активных центров, что позволяет увеличить ток I_р и тем самым W_л . В современных лазерах достигнуты параметры по мощности ~ 1 кВт/м и больше. За пределами резонатора газ охлаждается и проходит необходимую генерацию (2СО + О₂ = 2СО₂) в присутствии катализатора. В этом режиме лазер работает практически в автономном режиме.

В настоящее время СО₂ - лазеры с быстрой продольной прокачкой (мощностью 1-3 кВт) нашли широкое применение во многих операциях по обработке и термообработке материалов и, в частности, для лазерной резки металлов (с толщиной до нескольких миллиметров).

 

1.3.4. Отпаянные СО₂ – лазеры

В отпаянных СО₂ – лазерах для регенерации молекул СО₂ из СО в газоразрядную камеру помещается катализатор, для чего в газовую смесь помещают небольшое количество воды (~ 1%). Регенерация идет по следующей реакции:

СО* + ОН ® СО₂* +H,

где СО * и СО₂* - колебательно-возбужденные молекулы.

Иногда роль катализатора выполняет нагретый до 300⁰С никелевый катод. Долговечность этих лазеров» 10⁴ часов, W_л = 60 Вт/м. Отпаянные СО₂ - лазеры применяют для механической обработки материалов микрорезанием.

1.3.5. СО₂ - лазеры с поперечной прокачкой (ТЕ - лазеры)

Снять ограничения на мощность, присущую лазеру с медленной продольной прокачкой, можно, если прокачивать газовую смесь перпендикулярно разряду. Если смесь прокачивать достаточно быстро, то можно решить проблему с охлаждением. В этом типе лазеров мощность с единицы длины разряда достигает нескольких киловатт на метр. Оптимальное общее давление ~ 100 мм.рт.ст. (что на порядок больше, чем в системах с продольной прокачкой). В связи с этим схема с продольным разрядом, применяемая в лазерах, описанных выше неприемлема, так как для выполнения условия U/p = const

(U - приложенное напряжение) потребовались бы электрические поля» 100-500 кВ/м. Поэтому делают так, чтобы разряд протекал перпендикулярно оси резонатора. Эти лазеры в литературе получили название "ТЕ-лазеры".

ТЕ СО₂ - лазеры обладают высокой выходной мощностью (1-20 кВт) и широко применяются в технологических операциях, связанных с обработкой металлов: резание, сварка, поверхностная закалка, поверхностное легирование металлов и т.д., и имеют довольно простую конструкцию (рис.1.6).

 

Рис. 1.6. Схема простого СО₂ - лазера c поперечной прокачкой и разрядом (ТЕ-лазера)

 

1.3.6. СО₂ - лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением(ТЕА - лазеры)

В этом лазере увеличено давление рабочего газа р по сравнению с ТЕ СО₂ - лазерами. Для этого наряду с увеличением давления рабочего газа к электродам прикладывают импульсное напряжение (t = 10^-6 с). В этом случае исчезает опасность появления дугового разряда, так как они не успевают развиться. Рабочее давление увеличивают до атмосферного. Эти лазеры называются ТЕА - лазерами. Энергосъем с единицы объема разряда составляет 10-50 Дж/л. Сегодня ТЕА-лазеры являются одними из мощнейших генераторов. Принципиальным решением при разработке этой системы является создание предварительного состояния рабочей среды, называемого предыонизацией, перед основным возбуждающим систему импульсом. Предыонизация осуществляется одним из трех способом:

1) УФ - предыонизация за счет фотоионизации составляющих рабочей смеси искровым пробоем (рис.1.7);

2) предыонизация электронным (импульсным) пучком;

3) предыонизация за счет использования коронного разряда. В зависимости от частоты импульсов рабочая среда может прокачиваться или не прокачиваться.

 

Рис. 1.7. Схема ТЕА СО₂ - лазера (вид вдоль лазерной оси) с использованием УФ-излучения от искрового источника для предионизации газа: 1- источник питания; 2 - искровой источник УФ; 3 - электроды; 4 - импульсное включение; 5 - разрядный конденсатор 20 нф; 6 - заднее зеркало; 7 - газовая смесь

Лазеры такого типа (как источники мощного импульсного излучения) нашли применение в скоростных методах обработки материалов, когда импульсный характер пучка дает преимущества, например, импульсная маркировка, импульсная сварка и т.д.

 

1.3.7. Газовые лазеры на нейтральных атомах

 

Наиболее распространены газовые лазеры на смеси гелия и неона (10:1), дающие непрерывное излучение в красной области спектра (l= 0,6328 нм). К настоящему времени получена генерация свыше 450 частот от 34 элементов.

 

1.3.8. Ионные лазеры.

 

Инверсная населенность создается электрическим разрядом. Наиболее мощное излучение (сотни Вт) получено на ионах Ar2+ (l= 0,4880; 0,5145 мкм, сине-зеленая область спектра), Kr2+ (l= 0,5682; 0,6471 мкм, желто-красная область спектра), Kr3+, Ne2+ (УФ-область) и др. Излучение получено на ионах 29 элементов.

 

1.3.9. Газодинамические лазеры.

 

Разновидность молекулярных газовых лазеров представляет собой некое подобие реактивного двигателя, в камере сгорания которого сжигают углеводородное топливо. Активной средой в них служит многокомпонентная газовая смесь, нагретая свыше 1000⁰ С и разогнанная до сверхзвуковой скорости. Струя раскаленного газа движется между зеркалами оптического резонатора, инверсная населенность создается за счет адиабатического охлаждения газа, излучение происходит поперек струи. Наиболее мощные лазеры на CO2 работают в ИК диапазоне (l=10,6 мкм), генерируя в непрерывном режиме излучение мощностью до сотен киловатт. Газодинамический СО₂ - лазер достигает выходной мощности до 80 кВт. Интересен как пример осуществленной идеи - создания инверсии населенностей за счет газодинамического расширения, предварительно раскаленной газовой среды.

1.3.10. Лазеры на парах металлов.

 

Ионы и атомы 27 металлов обладают удобной для создания инверсной населенности структурой энергетических уровней. Лазеры на парах меди излучают на длинах волн 510,4 и 578,2 нм (зеленый свет) со средней мощностью свыше 40 Вт (см. п. 2.2). Лазеры на парах металлов имеют очень высокий коэффициент усиления.

1.3.11.Химические лазеры.

Газовые лазеры с инверсной населенностью за счет экзотермических химических реакций, продукты которых образуются в возбужденном состоянии. Лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме; излучение лежит в области дальнего ИК-излучения. Наибольшую мощность излучения обеспечивает реакция фтора с молекулярным водородом (в импульсном режиме - свыше 2 кДж при длительности импульса 30 нс; в непрерывном - несколько кВт).

 

1.3.12.Эксимерные лазеры.

 

Газовые лазеры, работающие на молекулах, существующих только в возбужденном состоянии (эксимерных) - короткоживущие соединения инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом (например, Ar2, KrCl, XeO и т. п.). Лазеры излучают импульсы в видимой или УФ области спектра с частотой повторения до 104 Гц со средней мощностью несколько десятков ватт.

Перспективным является эксимерный лазер, дающий излучение в УФ - области, с мощностью от 100 до 1000 Вт, частотой импульсов f= 500 Гц и КПД =2-4%. Свое название получил от слова эксимеры, которое означает молекулы галогенидов инертных газов (например, ArF, KrF и др.), и которые существуют только в возбужденном состоянии. Этот лазер нашел применение для очень точного травления материалов в электронных печатных платах, лазерного вакуумного напыления пленочных слоев.

 

1.4. Полупроводниковые лазеры

 

Известно, что одни вещества могут проводить электрический ток, а другие нет. К первой группе, проводникам, относятся, прежде всего, металлы. Стекло, фарфор, смолы и другие вещества не проводят электричества и называются изоляторами. Но есть и третья группа веществ, которая занимает промежуточное место между первыми двумя. Проводимость полупроводников сильно зависит от внешних воздействий: нагрева, охлаждения, освещения, магнитного поля и бомбардировки заряженными частицами.

В полупроводниковых лазерах волновая функция электронов определяется всем кристаллом полупроводника в целом. Принцип действия полупроводникового лазера представлен на рис.1.8.

 

Рис. 1.8. Принципиальная схема полупроводникового лазера. С-зона проводимости; V- валентная зона, E_q - ширина запрещенной зоны

 

Допустим, при Т = О К валентная зона будет заполнена полностью электронами, а зона проводимости пуста. Предположим, что каким-то образом электроны из валентной зоны будут заброшены в зону проводимости (то есть осуществлена инверсия состояний), где они за время t = 10^-13c заполнят все нижние уровни, а оставшиеся электроны валентной зоны также заполнят все незанятые нижние уровни так, что вершина валентной зоны будет состоять из дырок (рис.1.8.,б). При сваливании электронов назад в валентную зону (рекомбинация с дырками) испускаются фотоны (рекомбинационное излучение). А в случае вынужденного рекомбинационного излучения и при наличии подходящего резонатора возникает лазерная генерация.

Инверсию электронов (накачку) в полупроводниковых лазерах осуществляют различными путями. Например, иногда используют внешний электронный пучок или излучение другого лазера для поперечного возбуждения в объеме полупроводника. Наиболее удобным оказывается использование полупроводника в виде диода, по которому пропускают ток в прямом направлении. В этом случае инверсия населенностей достигается в узкой (менее 1 мкм) полоске между р- и n-областями перехода.

Можно выделить два основных типа полупроводниковых лазеров: лазер на гомопереходе и лазер на двойном гетеропереходе (ДГ). Первый интересен тем, что позволяет лучше оценить преимущества лазеров на ДГ, которые работают в непрерывном режиме и при комнатной температуре. Спектр применений лазеров на ДГ интенсивно расширяется.

 

1.4.1. Лазер на гомопереходе.

 

В подобных лазерах p- и n-области выполнены на одном материале. Причем обе области являются вырожденными полупроводниками с концентрацией носителей порядка 10¹⁸ ат/см³. При такой концентрации уровень Ферми E_fn для p-области попадает в валентную зону, а уровни Ферми E_fn для n-области - в зону проводимости (рис.1.9,а). В отсутствие напряжения оба уровня имеют одну и ту же энергию. Когда напряжение будет приложено, то оба уровня разбегутся на величину DE = e U. Зонная структура примет вид, изображенный на рис.1.9,б. Из рисунка видно, что в области p - n - перехода возникает инверсия населенностей. Дальнейший процесс рекомбинации вызовет лазерную генерацию.

 

Рис.1.9. Принцип действия полупроводникового лазера на основе p-n - перехода: а - отсутствие смещения; б - при смещении в прямом направлении

 

Конструктивно активный слой из p - n - перехода помещается между двумя металлическими пластинами с припаянными электродами. Типичный размеры активной области не превышает 200-500 мкм, отражающие поверхности создаются путем скалывания выходных граней полупроводникового монокристалла.

В таком виде лазер имеет недостаток, заключающийся в том, что размер лазерного пучка ~ 5 мкм значительно превышает активную область в поперечном направлении (d=1мкм). В результате чего проникает далеко в p- и n- области, где испытывает сильное поглощение. По этой причине пороговая плотность тока достигает большой величины ~ 10⁵ А/см для GaAs и лазер быстро выходит из строя от перегрева. Работоспособен такой лазер только в импульсном режиме, а для непрерывного режима излучения необходимо глубокое охлаждение.

1.4.2. Лазер на двойном гетеропереходе

 

Ограничений, отмеченных в п. 1.4.1, удалось избежать в конструкции лазера на двойном гетеропереходе (ДГ). Схематично одна из типичных конструкций такого лазера изображена на рис.1.10.

 

Рис. 1.10. Схема полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе. Активная область - слой из GaAs (n)

 

В этом лазерном диоде реализованы два перехода между различными материалами: Al _0,3 Ga _0,7 As (p) - GaAs и GaAs - Al _0,3 Ga _0,7 As (n). Активная область представляет собой слой GaAs толщиной всего 0,1- 0,3 мкм.

В такой структуре удалось снизить пороговую плотность тока почти на два порядка (~ 10³ А/см²) по сравнению с устройством на гомопереходе. В результате чего лазер получил возможность работать в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит из-за того, что оптические и энергетические характеристики слоев, участвующих в переходах таковы, что все инжектированные электроны и оставшиеся дырки эффективно удерживаются только в активной области. Лазерный пучок сосредоточен только в активной области, где и происходит его основное усиление и распространение. Лазерный пучок не испытывает по этим причинам поглощения в областях, соседних с активной областью.

Длина волны излучения такого лазера (l = 0,85 мкм) попадает в диапазон, в котором оптический волоконный кварц имеет минимум потерь. В настоящее время разработаны и широко внедряются лазеры на материалах GaAs с присадками In, P и др. с l = 1,3 и 1,6 мкм, также попадающие в окна прозрачности оптического кварца. Уменьшением ширины полоски лазеров с полосковой геометрией удалось довести пороговый ток до 50 мА, КПД до 60% (величина, рекордная для всех видов существующих в настоящее время лазеров).

Прямоугольное сечение активной области обусловливает эллиптическую форму диаграммы выходного излучения.

Структура типичного диодного лазера показана на рис.1.11.

 

Рис. 1.11. Схема диодного (инжекционного) полупроводникового лазера.1-алюминевый электрод, 2 - контактный слой p-типа, 3 - подложка, 4 - запирающий слой, 5 и 7 - разделительные слои, 6 - активный слой,: 8 - покровный слой, 9 - контактный слой n-типа.

 

Несмотря на очень малые размеры, такие приборы дают на выходе достаточную мощность непрерывного излучения с высоким КПД. Лазерное излучение генерируется при прохождении некоторого тока (называемого инжекционным) через активную область диода между разделительными слоями n- и p-типов. При этом создаются электроны и дырки, при последующей рекомбинации которых испускаются фотоны. Длина волны лазерного излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала, причем спектральная ширина линии излучения очень велика по сравнению с шириной атомных переходов.

Полупроводниковые лазеры находят применение в различных областях оптоэлектроники и систем записи и считывания информации. Впервые в широких масштабах эти лазеры начали использоваться в качестве считывающей головки в компакт-дисковых системах. Теперь область применения включает в себя оптические диски для постоянных и одноразовых запоминающих устройств. Лазеры на сплавах GaInP или AlGaInP имеют излучение в видимой области оптического спектра, что позволило считывать более плотно записанную информацию.

Вторая область применения - волоконно-оптическая связь, где чаще всего используются лазеры на GaAs. В будущем, наверное, для этих целей больше подойдет лазер на четверном сплаве InGaAsP с большим сроком службы (около 5×10⁵ часов). Широко применяются лазеры на GaAs для накачки твердотельных Nd:YAG-лазеров при продольной конфигурации. Для этого используются линейки из диодных лазеров, в которых при некоторых конструктивных решениях (разработка линеек диодов с отдельными лазерными каналами, но синхронизированными по фазе) удалось поднять выходную мощность от 50 мВт до 2 Вт.

Область применения подобных лазеров постоянно расширяется и в настоящее время значительная часть оптоэлектронных изделий не мыслима без использования полупроводниковых лазеров.

 

1.5. Жидкостный лазер.

 

Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов: плотность их всего в два-три раза ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Поэтому количество их атомов в единице объема примерно одинаково. Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать большие ее объемы. Кроме того, жидкость тоже можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.

Жидкостный лазер существенно отличается от своих предшественников, потому что в качестве накачки в нём используется не лампа или электрический разряд, а непосредственно ещё один лазер. Сам лазер состоит из системы сферических зеркал, представленных на рисунке 1.12.

 

Рис. 1.12. Принципиальная схема жидкостного лазера

 

Все более широкое применение в промышленности, науке находят жидкостные лазеры, в которых активной средой являются соединения органических красителей в жидком растворителе, таком, как этиловый и метиловый спирты и даже вода. Основным достоинством является широкий диапазон генерируемых длин волн, возможность перестройки диапазона без больших переделок. Эти лазеры широко используются в научных приложениях либо как непрерывные узкополосные (вплоть до одномодовых) перестраиваемые источники излучения для спектроскопии с высоким разрешением по частоте, либо в качестве лазеров с короткими (вплоть до 100 фс) выходными импульсами для спектроскопии с высоким разрешением по времени.

Класс перестраиваемых лазеров пополнился за счет создания, эффективно накачиваемых лазеров, на центрах окраски в кристаллах галогенидов щелочных металлов. На таких приборах получена генерация в диапазоне длин волн 0,8-3.3 мкм, что значительно дополняет область длин волн, характерных для жидкостных лазеров.

 

1.5.1.Лазеры на красителях.

 

Называются они так потому, что их рабочая жидкость - раствор анилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях.

Жидкость налита в плоскую ванночку - кювету. Кювета установлена между зеркалами. Энергия молекулы красителя «накачивается» оптически, только вместо лампы - вспышки на первых порах использовались импульсные рубиновые лазеры, а позднее - лазеры газовые. Лазер для накачки не встраивают внутрь жидкостного лазера, а помещают в стороне, вводя его луч в кювету через окно в корпусе. Сейчас удалось добиться генерации света и с импульсной лампой, но не на всех красителях. Растворы могут излучать импульсы света различной длины волны от ультрафиолета до инфракрасного света и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт, в зависимости от того, какой краситель налит в кювету. Лазеры на красителях излучают строго на одной длине волны (это явление называется монохроматичностью). Это свойство лежит в самой природе вынужденного излучения атомов, на котором основан весь лазерный эффект. В больших и тяжелых молекулах органических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн. Чтобы добиться от лазера на красителях монохроматичности, на пути луча становится светофильтр. Он представляет собой набор стеклянных пластин, которые пропускают только свет одной длины волны. Меняя расстояние между пластинами, можно слегка изменить длину волны лазерного излучения. Такой лазер называется перестраиваемым. А для того, чтобы лазер мог генерировать свет в разных участках спектра - переходить от синего к красному свету или от ультрафиолетового к зеленому, достаточно сменить кювету с рабочей жидкостью. Именно так ра
ботает перестраиваемый лазер "Радуга" (рис. 1.13), созданный белорусскими физиками.

Рис. 1.13. Жидкостной лазер «Радуга»

Он имеет десять кювет с разными красителями, которые укреплены на вращающемся переключателе диапазонов излучения. В пределах каждого диапазона излучение можно подстраивать при помощи фильтра. Благодаря этому лазер может излучать свет любой длины волны - от ультрафиолетовых до тепловых, инфракрасных лучей; полоса излучения у него широкая.

Несколько лет назад подобные лазеры были уникальными устройствами, которые использовались только для лабораторных, исследовательских целей, то теперь они оказались наиболее перспективны для исследования структуры вещества. Перестраивая частоту излучения, можно узнать, свет, какой длины волны поглощается или рассеивается на пути луча.

Перестраивая частоту излучения, можно узнать, свет какой длины волны поглощается или рассеивается на пути луча. Таким способом можно определить состав атмосферы и облаков на расстоянии до двухсот километров, измерить загрязненность воды или воздуха, указав сразу, какого размера частицы его загрязняют.

Сконструирован прибор, автоматически и непрерывно контролирующий чистоту воды и воздуха. Лазерный луч ощупывает воздушное пространство над городом, чувствительные приборы измеряют силу рассеянного света и записывают результат на бумажную ленту. Когда количество частиц грязи в воздухе возрастает сверх нормы, прибор включает сигнал тревоги.

 

1.6. Твердотельные лазеры

 

Твердотельными называются лазеры, активной средой которых является либо диэлектрический кристалл, либо стекло. В твердотельных лазерах активными центрами выступают примесные ионы, введенные в кристалл. Чаще всего эти ионы принадлежат одной из групп переходных металлов, например Cr³⁺ или Nd³⁺. В этих ионах используемые для генерации переходы включают электронн