Лазеры твердотельные с оптической накачкой

В лазерах этого типа излучением – активным элементом – является твердое тело. В таких ОКГ основная масса диэлектрика (матрица) непосредственного участия в процессе генерации индуцированного излучения не принимает. Стимулированное излучение и генерация связаны с происходящими в матрице переходами атомов активатора, содержащегося в ней в количестве 0,01 – 10 %.

Материалом матрицы служат кристаллы щелочно-земельных фторидов, вольфраматов, синтетического рубина, стекла различных составов. Активирующими примесями являются различные редкоземельные элементы, а также хром и уран.

Принципиальная схема твердотельного лазера показана на рис. 4

Рис. 4 Принципиальная схема твердотельного лазера с рубиновым стержнем:

1, 3 – зеркала; 2 – стержень; 4 – кожух; 5 – импульсный высоковольтный источник питания; 6 – газоразрядная лампа – вспышка.

Стержень 2, изготовленный из рабочего вещества, помещен между двумя зеркалами 1, 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 является полупрозрачным. Для накачки энергии используется газоразрядная лампа – вспышка 6, которая для большей эффективности облучения кристалла помещена вместе с ним внутрь отражающего кожуха 4 с поперечным сечением в форме эллипса. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы – вспышки осуществляется от импульсного высоковольтного источника 5.

При нагреве рабочего тела изменяются энергетические уровни оптически активных атомов и по достижении некоторой предельной температуры генерация когерентного излучения прекращается. Кроме того, нагрев стержня приводит к возникновению в нем термических напряжений, из-за чего может произойти разрушение стержня. Поэтому в большинстве конструкций твердотельных ОКГ предусматривается охлаждение рабочего тела воздухом, водой или жидким азотом.

Световое излучение лампы – вспышки воздействует на активные атомы оптического резонатора, которые возбуждаются и затем при переходе на более низкие энергетические уровни генерируют собственное излучение.

Длительность импульса твердотельных ОКГ определяется индуктивностью, включаемой в цепь конденсаторной батареи, и обычно составляет 0,1 – 10 мс. Частота повторения импульсов зависит в основном от условий охлаждения и характеристик импульсной лампы. В современных ОКГ она доходит до 600 импульсов в минуту.

Энергия излучения, генерируемая ОКГ, измеряется в пределах от сотых долей до сотен джоулей. КПД твердотельных лазеров относительно невысок, поскольку значительная часть подводимой энергии превращается в теплоту.

Лазерное излучение на поверхности отрабатываемой детали фокусируется с помощью сферической или цилиндрической оптики. В первом случае луч фокусируется в точку, во втором – в линию, длина которой определяется поперечным сечением луча генератора. С помощью комбинации различной оптики можно добиться получения различной формы луча на поверхности детали.

Твердотельные полупроводниковые лазеры

Лазеры этого типа отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего свет вещества в них используется кусочек полупроводника.

Полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение осуществляется при инжекции носителей заряда через p – n – переход, называется инжекционными. Примером лазеров такого типа может служить полупроводниковый квантовый генератор на p – n – переходе в арсениде галлия (рис. 5).

 

Рис. 5 Принципиальная схема твердотельного полупроводникового лазера:

1 – электрод; 2 – контакт; 3 – проводник р – типа; 4 - p – n – переход; 5 – проводник n – типа; 6 – теплопроводящая пластина.

Акцепторными примесями в арсениде галлия является цинк, кадмий, индий и др., донорными примесями – теллур, селен и др.

Кристалл инжекционного лазера имеет размеры 0,5 – 1 мм². Электрод 1 крепится к контакту 2, верхняя часть 3 представляет собой проводник р –типа, нижняя часть 5 - проводник n –типа. Между ними имеется p – n – переход 4, толщина которого оставляет 0,1 мкм. Излучающий слой имеет толщину 1 – 2 мкм вследствие проникновения электродов и дырок через p – n – переход вглубь кристалла.

Передняя и задняя грани являются зеркалами, и получается путем скалывания кристалла относительно определенной кристаллической оси. Боковые грани делают скошенными для препятствия возникновения колебаний в перпендикулярном направлении. Электрическое поле прикладывается перпендикулярно направлению p – n – перехода с помощью специальных электродов, соединенных с теплоотводящими пластинами 6.

Достоинства: полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким преобразованием электрической энергии в когерентное излучение (до 100%) и могут работать в непрерывном режиме. Полупроводниковые ОКГ, работающие при температуре жидкого азота, имеют мощность порядка 100 Вт, а при температуре жидкого гелия – 10 Вт.

Недостатком полупроводниковых лазеров является связанная с их малыми размерами невысокая направленность излучения, а также трудность получения высокой монохроматичности.

Жидкостные лазеры

Их основное преимущество – возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения, что позволяет получить больше энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах. Созданы лазеры на основе растворов редкоземельных ионов в ряде неорганических жидкостей, а также лазеры, у которых в качестве активной среды используется растворы органических красителей.

В резонатор жидкостных лазеров вместо стеклянного стержня помещают кювету с раствором. Инверсия осуществляется за счет накачки от импульсных ламп. Коэффициент преобразования энергии оптической накачки в энергию генерации достигает 50 %.

Лазеры на органических жидкостях обладают интересными особенностями. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют создавать лазеры с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне нескольких сотен ангстрем. Заменяя органические красители, можно обеспечить перекрытие всего видимого и части инфракрасного участков спектра.

Газовые лазеры

Принципиальное устройство газовых лазеров гораздо проще рассмотренных выше. Стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В ее торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания (рис. 6). В трубке возбуждается газовый разряд. Для газовых лазеров подбираются специальные активные смеси, атомы или молекулы которых могут некоторое время находиться в метастабильном состоянии.

По сравнению с твердыми телами или жидкостями газы обладают меньшей плотностью и более высокой однородностью, что не вызывает искажение светового луча, его рассеяния и потерь энергии. В качестве активных газов в ОКГ применяют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с добавкой азота и гелия.

Газовые ОКГ подразделяют на 3 большие группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.

Примером атомного лазера является гелиево-неоновый ОКГ (рис. 6, а). В этом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Атомы гелия служат для передачи энергии возбуждения. В результате этой передачи атомы неона возбуждаются, а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Газоразрядная трубка 1 заполняется гелием и неоном. Источник высокого напряжения создает высоковольтный электрический разряд 2, который возбуждает атомы гелия и неона за счет соударений с электронами. Излучение выходит через полупрозрачное зеркало 3. Такие ОКГ имеют небольшую мощность, но из-за простоты устройства, надежности и достаточно высоких параметров излучения получили широкое применение.

 

Рис. 6 Схема газовых лазеров: а – гелий – неоновый; б – углекислотного; в – газодинамического.

В ионных газовых ОКГ используются переходы между энергетическими уровнями ионов благородных газов (ксенона, аргона, неона, криптона), а также фосфора, серы и хлора. Типичным представителем этой группы является аргоновый лазер, который по конструкции похож на гелиево – неоновый ОКГ. Мощность ОКГ этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах (до 150 – 500 Вт в непрерывном режиме).

Наибольшую мощность и КПД имеют газовые ОКГ, генерирующие колебания на молекулярных переходах. К этой группе относятся ОКГ, работающие на углекислом газе. В газоразрядных лазерах инверсия заселенностей достигается за счет возбуждения молекул электронным ударом и резонансной передачей энергии возбуждения. Для передачи энергии возбуждения в них служат молекулы азота N₂, которые в свою очередь возбуждаются электронным ударом.

В условиях имеющего разряда обычно до 90 % молекул азота переходят в возбужденное состояние, время жизни которого велико. Молекулярный азот хорошо накапливает энергию возбуждения и в процессе неупругих соударений легко передает ее молекулам СО₂.

Высокая инверсная заселенность достигается добавлением в рабочую смесь Не, который облегчает условия возникновения разряда и благодаря своей высокой теплопроводности охлаждает разряд, а также способствует опустошению нижних энергетических уровней молекулы СО₂.

Принципиальная схема ОКГ на СО₂ приведена на рис. 6, б. Электрический разряд возбуждается в охлаждаемой стеклянной газоразрядной трубке 5 между электродами 6 с помощью высоковольтного источника питания 4. Излучения выводится через окно 3 из материала, пропускающего инфракрасные лучи, например, из кристаллов KBr, NaCl или Ge. При продольной прокачке газа с 1м длины резонатора можно снимать мощность не более 50 Вт. Для получения большей мощности приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора, что достигается за счет использования многотрубных систем, в которых луч с помощью зеркал последовательно проходит через ряд труб.

Наиболее эффективными лазерами на СО₂ являются системы с поперечной относительно направления электрического тока продувкой газа. В них используют интенсивную прокачку газа через объем резонатора с охлаждением его в теплообменнике. В таких ОКГ можно получить съем мощности до 16 Вт с 1 см³ газа.

Газодинамические лазеры

Их характерной особенностью является создание быстрых потоков газовых масс. Инверсия заселенностей в них осуществляется при резком охлаждении предварительно нагретой рабочей смеси путем адиабатного расширения газа. При нагревании газа молекулы переходят на верхние энергетические уровни. Но при этом сохраняется обычное больцмановское распределение по энергетическим уровням с большим заселением нижних уровней по сравнению с верхними.

При охлаждении газа молекулы должны перейти на нижние. Скорость их перехода зависит от времени жизни на этом или ином уровне. Поскольку время жизни верхнего лазерного уровня молекулы СО₂ гораздо больше времени жизни нижнего, расселение нижнего уровня идет с большей скоростью. При адиабатическом расширении газа в сопле происходит его резкое охлаждение на выходе из сопла. Поэтому в различных областях среды будет иметь место различное расселение молекул по энергетическим уровням. В прилегающей к соплу зоне еще будет преобладать заселенность нижнего уровня, но на некотором расстоянии от сопла, соответствующем времени распространения струй газа до этого сечения, нижние уровни будут опустошаться быстрее верхних, и в этой зоне будет существовать инверсия заселенностей.

Принципиальная схема газодинамического лазера показана на рис. 6, в. В камеру сгорания 8 подается топливо 7. Продукты сгорания (СО₂) в смеси с азотом и гелием выходят через сверхзвуковое сопло 9 в виде расширяющегося потока газа 10. Для получения лазерного излучения используется резонатор в виде двух зеркал 11. Резонатор расположен так, что его ось перпендикулярна вектору скорости потока газа. Мощность лазерного излучения определяется плотностью, скоростью и температурой газа на выходе из сопла.