kfpth

В газовых лазерах активной средой, как это явствует из названия, является газ. К ним относятся: гелий-неоновый лазер, лазер на углекислом газе, аргоновый, криптоновый и азотный лазеры, лазер на угарном газе.

В гелий-неоновом лазере усиление света происходит на атомах неона, гелий же работает как теплоотвод и служит для повышения давления. Это очень маломощные лазеры (от 1 до 100мВт), энергия к которым подводится с помощью продольного газового разряда. Накачка на верхний лазерный уровень происходит при столкновении электронов разряда с атомами неона. Основная длина волны – 0.6328 нм. Путем установки призмы или дифракционной решетки (частотно-селективных элементов) можно получить генерацию на длинах волн 0.5435, 0.5939, 0.6118, 1.1523, 1.52 и 3.3913 мкм

Лазер на углекислом газе (CO2-лазер) – один из самых популярных промышленных лазеров (сегодня его вытесняют волоконный и диодный лазеры). Они используются для обработки различных материалов и анализа состава атмосферы. Есть даже ряд проектов по использованию этих лазеров для управления молниями. Активной средой углекислотных лазеров является смесь газов: CO2, N2 и He. Иногда для улучшения разряда добавляют Xe и некоторые органические вещества. Накачка, как и в гелий-неоновом лазере, осуществляется путем создания разряда в среде (есть и экзотические методы, например, прямой впрыск электронного пучка). Разряд используют как продольный тлеющий (в лазерах в виде трубок), так и поперечный высокочастотный (в лазерах с полуволноводным резонатором). Накачка происходит за счет столкновения молекул углекислого газа и азота (с последующей передачей энергии на углекислый газ) с электронами разряда. Основная длина волны таких лазеров лежит в инфракрасном диапазоне и составляет 10.6 мкм. Для различных исследовательских целей используют частотно-селективные элементы, которые позволяют перестраивать длину волны в диапазоне от 9 до 11 мкм.

Аргоновый лазер также возбуждается электрическим разрядом, однако рабочие лазерные уровни соответствуют ионам, а не молекулам (атомам) газа. Чем выше степень ионизации атома (т.е. чем больше электронов с него улетело), тем более короткую длину волны может генерировать лазер. Всего длин волн, которые излучает лазер, 14, в порядке убывания интенсивности: 0.488, 0.5145, 0.3638-0.3336, 0.4965, 0.4765, 0.3851-0.3511, 0.5287, 0.5017, 0.3358-0.3003, 0.4727, 0.4658, 0.4579, 0.4545, 0.3055-0.2754 мкм. Используются, в основном, для литографии, в офтальмологии и для накачки других лазеров – Ti:Sa и лазеров на красителях.

Криптоновый лазер устроен так же, как и аргоновый, но излучает, в основном, на длине волны 0.647 мкм. Более слабое излучение соответствует 0.416, 0.5309, 0.5682, 0.6764, 0.7525 и 0.7993 мкм. Также используются в литографии и офтальмологии.

Азотный лазер способен генерировать длину волны 0.3371 мкм и, более слабо, 0.316 и 0.357 мкм. Накачка осуществляется электрическим разрядом. При этом коэффициент усиления в таких лазерах настолько высок, что лазер может работать и без резонатора. Областью применения являются, в основном, научные исследования и измерение параметров атмосферы.

CO-лазер работает на смеси CO, N2 и He, его принцип работы аналогичен CO2-лазеру, но требуются криогенные температуры, в связи с чем он не нашел широкого распространения в промышленности, хотя и обладает существенно большим КПД. Длины волна лазера лежат в диапазонах 2,5—4,2 мкм и 4,8—8,3 мкм.

Лазеры на парах металлов

Эти лазеры сходны газовым лазерам, однако, как явствует из названия, в качестве активной среды в них используются пары различных металлов. В лазерной трубке присутствуют две (иногда больше) небольшие емкости с металлом буферный инертный газ. Одна из емкостей нагревается до высоких температур, металл начинает испаряться и диффундировать по всей трубке, осаждаясь во второй емкости. Когда ресурс первой емкости выработан, нагрев переключается на вторую емкость, а направление диффузии и осаждения меняется. Накачка лазера производится с помощью разряда в газе. При этом ион инертного газа сталкивается с атомом металла и передает ему энергию. В силу особенностей структуры энергетических уровней, такие лазеры работают только в импульсном режиме.

Самый известный лазер на парах металлов использует медь. Усиление в среде настолько большое, что он способен работать без резонатора. Это довольно мощный лазер, который излучает на длинах волн 0.5106 и 0.5782 мкм. Один из немногих лазеров на парах металла, который нашел свое применение вне научных и учебных лабораторий – он используется в скоростной фотографии и для накачки лазеров на красителях.

Вторым по популярности является гелий-кадмиевый лазер. Его спектр – 0.44 и 0.325 мкм, то есть ультрафиолетовая область, за счет чего он нашел свое применение в полиграфии и ультрафиолетовых детекторах.

Более экзотические лазеры на парах металлов используют пары ртути (в смеси с гелием, длины волн 0.567 и 0.615 мкм), селена (24 полосы от красного до УФ) и золота (0.627 нм). Кроме как в научных экспериментах применяются редко.

Химические лазеры

В этих лазерах накачка активной среды (газа) происходит за счет химических реакций. Способны генерировать непрерывную мощность вплоть до мегаватт. Основных представителя этого семейства два – кислород-ионный и фторводородный лазеры.

Кислород-ионный лазер работает за счет реакции газообразного хлора, молекулярного йода, раствора перекиси водорода и гидроксида калия. В результате химической реакции раствора с хлором (помимо тепла и хлорида калия) образуется кислород, который передает свою энергию молекулам йода, который затем и излучает на длине волны 1.315 мкм.

Лазер на фтористом водороде использует цепную реакцию: атомарный фтор соединяется с молекулярным водородом с образованием молекулы HF и атомарного водорода. Атомарный водород, в свою очередь, реагирует с молекулярным фтором, снова образуя HF и атомарный фтор. Для запуска реакции используется электрический разряд. Существует также и лазер на изотопе водорода – дейтерии, отличающийся от HF-лазера длинами волн: HF излучает в диапазоне 2.7-2.9 мкм, а DF – 3.6-4.2 мкм.

Эксимерные лазеры

Этот класс лазеров использует химическую реакцию с неустойчивыми молекулами – эксимерами. Такие молекулы образуются с участием инертных газов и способны существовать только в возбужденном состоянии. Соединение атомов в молекулы происходит благодаря электрическому разряду. Используются повсеместно в ультрафиолетовой литографии и офтальмологии. Длины волн следующие: 0.193 мкм (ArF), 0.248 мкм (KrF), 0.308 мкм (XeCl), 0.353 мкм (XeF).

Лазеры с ядерной накачкой

Пожалуй, самый экзотичный вид лазеров. Накачка среды в них осуществляется посредством ядерных реакций. Способны излучать свет в диапазоне от рентгена до дальнего ИК. Есть два типа таких лазеров – одни из них используют ядерные процессы в реакторе, а другие – ядерный взрыв, после которого среда переходит в возбужденное состояние. Последние, разумеется, одноразовые.

Жидкостные лазеры (лазеры на красителях)

В качестве активной среды в таких лазерах используются, как это явствует из названиия, жидкости, имеющие какую-либо окраску. Самым популярным красителем является Родамин 6G, но я слышал о получении генерации даже на бренди. В маломощных лазерах используется кювета с жидкостью, а в мощных вариантах формируется тонкая струя, что позволяет избежать проблем с охлаждением. Для накачки используются другие лазеры – твердотельные и газовые. Спектр таких лазеров очень широк и составляет десятки нанометров. Это позволяет производить перестройку по длине волны или же генерировать сразу во всем спектре (при этом происходит генерация сверхкоротких импульсов). Различные разновидности красителя Кумарина полностью перекрывают диапазон длин волн от 0.435 до 0.565 нм. Различные Родамины светят в суммарной области 0.540-0.675 мкм, а прочие красители перекрывают весь оставшийся спектр вплоть до 0.940 мкм. Применяются, в основном, для создания лазерных часов, лазерной спектроскопии и генерации сверхкоротких импульсов в исследовательских и (изредка) промышленных целях.

Твердотельные лазеры

конструкция твердотельного лазера с продольной диодной накачкой (почти как в зеленой лазерной указке)

В качестве активной среды используются кристаллы с добавлением активных веществ. При этом лазерные уровни образуются в активном веществе из-за воздействия на него внешней кристаллической решетки. Природные кристаллы для лазерных целей не подходят, поэтому их специальном образом выращивают, добиваясь при этом высокой однородности распределения примесей по кристаллу и однородности самого кристалла. Единственным способом ввести энергию в такие лазеры является свет. Накачка осуществляется с помощью ламп (импульсных и непрерывных), других лазеров и диодов.

Лазер на рубине был первым лазером оптического диапазона. Активным веществом являются ионы хрома, а кристалл – Al2O3. Для накачки применяют лампы-вспышки. Длина волны 0.6943 нм. Используется в голографии и для удаления татуировок.

Существует несколько лазеров на ионах неодима, различающихся матричными кристаллами и, соответственно, длиной волны. Накачка производится либо с помощью ламп, либо, что наиболее популярно на сегодняшний день, с помощью диодов. Самым популярным является Nd:YAG (неодим в аллюмо-иттриевом гранате). Основная длина волны 1.064 мкм, второстепенная – 1.32 нм. С помощью нелинейных кристаллов иногда удваивают частоту лазера (длина волны составляет 0.532 мкм), именно такая схема используется в китайских зеленых лазерных указках. Применяется в обработке материалов, дальномерах, научных исследованиях и для накачки других лазеров. Еще два лазера на неодиме – Nd:YLF и Nd:YVO применяются в основном для накачки Ti:Sa лазеров и имеют длины волн 1.047 (вторичная 1.053) и 1.064 мкм соответственно.

Отдельно стоит лазер на неодиме в стекле. Вместо кристалла здесь использовано аморфное стекло, что приводит к заметно более широкому спектру, чем у Nd:YAG. Длины волн отличаются совсем немного – 1.062 и 1.054 нм (в зависимости от типа стекла), но эти лазеры способны достигать энергий в импульсе вплоть до мегаджоулей (тераватты пиковой мощности). Используются для лазерной плавки и в попытках реализации лазерного термоядерного синтеза.

Еще три лазера используют в качестве матричного кристалла аллюмо-итриевый гранат (YAG), различаются они легирующими добавками. Иттербиевый лазер (Yb:YAG) имеет длину волны 1.03 мкм и используется для обработки материалов, спектроскопии и в дальномерах. Гольмиевый лазер (Ho:YAG) с длиной волны 2.1 мкм используется в медицине, а лазер на тулии (Tm:YAG) – в радарах (его длина волны 2 мкм).

Титан-сапфировый лазер (Ti:Sa) имеет сверхширокий спектр излучения – от 0.65 до 1.1 мкм. За счет этого его можно как перестраивать во всем диапазоне, так и выбирать какую-то длину волны, кроме того, он способен излучать сразу во всем спектре (при этом получаются сверхкороткие импульсы). Для его накачки используется множество других лазеров, а сам Ti:Sa нашел свое применение в научных исследованиях, дальномерах и спектроскопии. Из-за своей сложности применения в промышленности не нашли.

Конструкция Ti:Sa лазера.

Еще один тип лазеров использует в качестве матричного кристалла селенид цинка (ZnSe). В основном применяются два типа активных легирующих добавок – хром и железо. Диапазоны длин волн, им соответствующие – 1.9-3.6 мкм и 4-4.5 мкм. Используются для генерации сверхкоротких импульсов, что имеет применение в промышленности.

К твердотельным лазерам относится и волоконный лазер. Существенное отличие конструкции в том, что вместо короткого и толстого кристалла используется очень длинное и очень тонкое волокно (его длина может достигать километров). При этом в одном волокне выполнено сразу несколько волноводов – один из них – это активная среда лазера, легированная эрбием, а остальные проводят излучение накачки от лазерного диода, которое на пути следования постепенно проникает в основной волновод. Очень активно используются в промышленности для резки, гравировки и сварки. Кроме того, нашли свое применение в медицине и косметологии, используются в качестве усилителей в оптоволоконной связи. Длины волн от 1.53 до 1.56 мкм.

Полупроводниковые лазеры

Конструкция полупроводникового лазера.

Самый распространенный тип лазеров. В основе конструкции лежит полупроводниковый диод с отражающими гранями, однако из-за особенностей применения как лазера и физики необходимых процессов, они сильно отличаются от своих радиотехнических прародителей. Накачиваются напрямую током – в активной среде (на p-n переходе) происходит рекомбинация электронов и дырок (пустых мест без электронов) с испусканием кванта света. Изначально работали лишь при криогенных температурах, однако сегодня этого не требуется. Излучают в различных диапазонах – от ближнего УФ до дальнего ИК и в терагерцовом (но заполняют спектр не полностью). Нашли широчайшее применение в телекоммуникациях, промышленности, научных исследованиях и быту. Активно используются для накачки других лазеров.

Лазеры на свободных электронах

Излучают в диапазоне от рентгена (доли ангстрема - единицы нанометров) и до терагерцовых волн. В основе конструкции лежит ондулятор (последовательность противоположно расположенных магнитов), через который летит поток электронов. За счет переменного магнитного поля происходит поперечное колебание электронов, которые излучают свет вдоль направления движения. Используются в кристаллографии и исследовании материалов. Так как крайне сложны, дорогостоящи и громадны, в промышленности не используются.

Источник - моя статья на Суровом Технаре: http://brutalengineer.ru/2016/07/04/mnogoobrazie-lazerov-cha...

Устройство лазера

Чем же лазер отличается от обычного источника света, например, газоразрядной лампы? Принципиальных различия два: во-первых, лазер, в отличии от лампы, излучает очень узкие линии (рекорд, если не ошибаюсь, составляет ширину линии в сотые доли Герца на фоне 10^15 Герц несущей), а во-вторых, он излучает волны высокой когерентности.

Необходимо остановиться на этих двух понятиях – спектре и когерентности.

Электромагнитный спектр – это распределение энергии электромагнитного излучения по частотам или по длинам волн.

На следующих изображениях показаны спектры излучения солнца, ртутной лампы и гелий-неонового лазера. Видно, насколько сильно они различаются – практически сплошной спектр у Солнца (лишь несколько изрезанный), множество линий у ртутной лампы и одна-единственная узкая линия у лазера.

Спектр излучения Солнца.

Спектр излучения ртутной лампы.

Спектр излучения гелий-неонового лазера.

Когерентность излучаемого света означает, что электромагнитные колебания в разных точках лазерного пучка (как по пространству, так и по времени) происходят взаимосвязано, с постоянной разницей фаз. Наличие когерентности приводит к наблюдению такого явления как интерференция, когда складываются амплитуды волны, а не их интенсивности (пропорциональные квадрату амплитуды), как это происходит с некогерентным светом. При интерференции волны могут как усиливать, так и гасить друг друга – это, в частности, проявляется в виде интерференционных полос, появляющихся в плоскости интерференции. Энергия при этом, разумеется, никуда не пропадает (при гашении) и не появляется из ниоткуда (при усилении) – она перераспределяется между областями максимумов и минимумов когерентности.

Интерференционная картина.

Типов лазеров великое множество: газовые, твердотельные, волоконные, жидкостные, на парах металлов, на свободных электронах, полупроводниковые, на центрах окраски, газодинамические, эксимерные, химические и даже лазеры с накачкой ядерным взрывом.

Но все они построены по одному и тому же принципу генератора — усилителя с положительной обратной связью. В качестве усилителя работает так называемая активная среда лазера — рабочее тело, в котором создана инверсия населенности, а в качестве положительной обратной связи используется система зеркал (в основной массе), образующая резонатор. Энергию в активную среду передает система накачки.

По сути, свет, зародившийся в активной среде выходит из нее, частично отражается зеркалами резонатора обратно, вновь проходит через активную среду, где усиливается, снова выходит из нее и отражается обратно, и так до бесконечности. В конце концов, лазер (непрерывный) выходит на установившийся режим, при котором усиление равно потерям – сколько энергии за один обход светом выходит резонатора из лазера, столько же энергии добавляется в свет за один проход через активную среду.

Усиление света.

Основной процесс, приводящий к усилению света в лазерах, называется вынужденным излучением. Его суть в следующем.

Существует среда, в которой какая-то доля атомов находится в возбужденном состоянии (на т.н. верхнем лазерном уровне), при этом в атоме (или молекуле) существует еще один, более низкий уровень энергии (нижний лазерный уровень), на который электрон способен перейти с излучением кванта света (т.н. разрешенный переход). Если в такую среду снаружи прилетает квант света, имеющий ту же энергию, что и разница энергий между этими уровнями, то существует вероятность, что один из возбужденных электронов «свалится» с верхнего лазерного уровня на нижний за счет «взаимодействия» с налетающим фотоном, при этом он излучит еще один квант света, имеющий ту же энергию, что и налетающий фотон (и равную разнице энергий между уровнями), и будет с ним когерентен (т.е. разница фаз их колебаний остается постоянной). Слово «взаимодействие» я взял в кавычки, так как в этом процессе налетающий фотон никак не изменяется. В этом месте можно привести цитату из учебника Нагибиной Ирины, которую из года в год закрашивали в старых учебниках: «и фотоны, как груши, падающие с дерева, увлекают друг друга в полёт».

Существует и другой процесс, с которого стартует излучение лазера – спонтанное изучение, при котором электроны сваливаются с верхнего лазерного уровня на нижний самопроизвольно, излучая фотон со случайной фазой.

Процессы поглощения, спонтанного и вынужденного излучения.

Активная среда.

Усиление света происходит в активной среде – веществе, в котором создана инверсия населенностей. Населенность означает доли атомов, находящихся на тех или иных уровнях энергии. В тепловом равновесии населенность распределяется по закону Больцмана, т.е. чем выше энергия уровня, тем экспоненциально меньше атомов находится на нем. При инверсии населенностей с помощью внешнего источника энергии создается обратная ситуация – на верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем.

Распределение атомов при тепловом равновесии и инверсии населенностей.

Именно активная среда в основном определяет, какую длину волны будет иметь лазер. У каждой активной среды имеется спектр люминесценции, т.е. излучения света, энергия для которого получена с помощью внешнего источника (накачки) – электричества, другого света, химического возбуждения или, например, резкого расширения газа в газодинамических лазерах.

Спектр люминесценции рубина.

Резонатор

Резонатор в лазере выполняет сразу две функции – создание положительной обратной связи и частотной селекции.

Простейший резонатор образован парой зеркал. Обычно одно из них полностью отражающее, а второе – частично отражающее и частично пропускающее (прошедшее излучение и есть выходное). Свет, отражаясь от зеркал резонатора попадает обратно в активную среду, где далее усиливается. Так реализуется положительная обратная связь.

Резонатор назван так, поскольку в нем происходит резонанс – сложение волн одной частоты, при котором они усиливают друг друга. Резонатор обладает своим собственным спектром длин волн, которые в резонаторе складываются конструктивно. Волны, не попадающие в спектр резонатора, гасят сами себя. При этом этот спектр является бесконечным числом равноотстоящих линий. Так как одно из зеркал резонатора частично прозрачно, то эти линии не бесконечно узкие, а имеют некоторую ширину.

Спектр лазерного резонатора накладывается на спектр люминесценции активной среды, и происходит частотная селекция – выбор узкой полосы излучения (с шириной, обычно равной ширине линии резонатора) из всего (довольно широкого) спектра люминесценции активной среды. При этом в генерацию вылезает та из линий резонатора, которая соответствует наибольшей величине люминесценции. Иногда линий, имеющих одинаковое усиление несколько, и тогда между ними начинается конкуренция, и энергия постепенно перераспределяется между ними.

Наложение спектра резонатора на спектр люминесценции.

Управление длиной волны

Как мы выяснили, длина волны излучения определяется, во-первых, активной средой лазера, а во-вторых – его резонатором. Однако, существуют методы управления длиной волны.

Самым простым видом управления длиной волны является установка внутри резонатора дополнительных фильтров, которые изменяют его частотный спектр – например, с помощью поглощения света с ненужными длинами волн. При этом для отфильтрованных длин волн возрастают потери, и доминирующими линиями генерации становятся другие.

Основные типы таких фильтров – это, разумеется, поглощающие вещества (например, ячейка с газом). Следующим типом фильтра является дифракционная решетка – пластинка, на которой с некоторой периодичностью нанесены отражающие штрихи. В зависимости от угла падения света на пластинку она отражает обратно ту или иную длину волны, все прочие же уходят в сторону и не возвращаются в активную среду. Аналогичным образом используется и призма. Наконец, в некоторых резонаторах устанавливают специальный прибор – интерферометр. За счет эффекта интерференции он отфильтровывает определённый набор длин волн, внося в резонатор дополнительные потери, распределенные по основному спектру резонатора. Простейшим из таких приборов является плоскопараллельная пластинка, расположенная под углом к направлению распространения света.

Лазер с дифракционной решеткой.

Другим способом управления длиной волны является метод преобразования частоты излучения (или деления длины волны, что одно и то же). При этом в лазере устанавливается дополнительный элемент, осуществляющий это преобразование – специальный нелинейный кристалл (такой, в котором взаимодействие вещества со светом нелинейно зависит от поля, например, кристалл KDP).

Самая частая используемая разновидность такого явления это т.н. генерация второй (или более высоких) гармоники, при которой частота излучения удваивается (длина волны уменьшается в два раза). Электромагнитное поле, возникающее в кристалле и переизлучающееся в свет при этом пропорционально квадрату поля падающего света, что приводит к появлению компоненты с удвоенной частотой (квадрат синуса, описывающего волну, представляется как сумма постоянной величины и величины, колеблющейся на удвоенной частоте). Такие кристаллы установлены, например, в китайских зеленых лазерных указках. Вообще говоря, это поистине hi-tech устройство: такая указка является полноценным твердотельным лазером с продольной диодной накачкой и генерацией второй гармоники. В излучении таких указок можно найти как компоненту, собственно, зеленого цвета (0.53 мкм), так и остаточное излучение основной гармоники (1.06 мкм), и излучение диодного лазера накачки (0.808 мкм).

В нелинейных кристаллах так же возможна генерация суммарной (или разностной) частоты. Происходит это, опять же, благодаря нелинейным явлениям. При этом из двух взаимодействующих в кристалле фотонов возникает один, с частотой, являющейся суммой частот исходных фотонов. Такой подход позволяет заполнить лазерным излучением ультрафиолетовый диапазон, в котором обычных лазерных источников практически не существует.

Плавная перестройка частоты в некотором пределе возможна благодаря параметрическому усилению света в нелинейных кристаллах (явление основано на генерации суммарной и разностных частот). При этом сам нелинейный кристалл накачивается интенсивным светом какой-либо длины волны (генерируемой лазером), а этот свет внутри него преобразуется в две (или более) волн другой длины, свет которых гуляет по дополнительному резонатору. Таким образом получаются как бы два лазера внутри одного. При этом перестройка по длине волны осуществляется путем поворота или нагрева кристалла, что меняет условия нелинейного взаимодействия для разных длин волн за счет зависимости коэффициента преломления кристалла от угла и температуры.

Источник - моя статья на Суровом Технаре http://brutalengineer.ru/2016/07/03/mnogoobrazie-lazerov/