Многообразие лазеров. Часть 2.

Лазеров существует 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. В этой части статьи мы рассмотрим различные виды лазеров, на каких длинах волн они светят и где применяются.

Многообразие лазеров. Часть 2. Лазер, Технологии, Наука, Познавательно, Свет, Длиннопост, Ликбез

Конструкция газового лазера.

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

Многообразие лазеров. Часть 2. Лазер, Технологии, Наука, Познавательно, Свет, Длиннопост, Ликбез

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.

Многообразие лазеров. Часть 2. Лазер, Технологии, Наука, Познавательно, Свет, Длиннопост, Ликбез

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

Многообразие лазеров. Часть 2. Лазер, Технологии, Наука, Познавательно, Свет, Длиннопост, Ликбез

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...

Наука | Научпоп

7.6K постов78.2K подписчиков

Добавить пост

Правила сообщества

Основные условия публикации

- Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.

- Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.

- Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.

- Видеоматериалы должны иметь описание.

- Названия должны отражать суть исследования.

- Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.


Не принимаются к публикации

- Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.

- Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.

- Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.


Наказывается баном

- Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.

- Попытки использовать сообщество для рекламы.

- Фальсификация фактов.

- Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.

- Троллинг, флейм.

- Нарушение правил сайта в целом.


Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество Пикабу.