Лазер
Материал из Documentation.
Лазер — квантовый генератор, источник мощного оптического излучения.[1]
[править] Типы лазеров
По типу активного вещества все лазеры делятся на твердотельные (в качестве активного вещества используются стекло, активированное неодимом, гранат, рубин); полупроводниковые; газовые (гелий, неон, аргон, углекислый газ, водород и фтор, смеси газов) и жидкостные (активное вещество представлено растворами органических и неорганических веществ).[2]
Отдельное место занимают т. н. 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 среде усилителя, приводящее в росту энергии излучения.[3]
Первыми были созданы твердотельные лазеры (рубиновые). Активное вещество — рубин — представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома (Al2O3•CrO3).[4]
Принцип работы рубинового лазера заключается в следующем: излучение ксеноновой лампы накачки переводит атомы хрома в возбужденное состояние. Обратный переход происходит самостоятельно и сопровождается излучением фотонов, причем этот процесс носит лавинообразный характер. На резонаторе происходит накопление фотонов в активном веществе, которые, достигнув критического уровня, испускаются в виде монохроматического излучения высокой интенсивности.[5]
Широко используются лазеры на на алюмо—иттриевом гранате (Y3Al5O12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол. Для их накачки используют лампы—вспышки. Твердотельные лазеры работают как правило в импульсном режиме с частотой повторения импульсов от долей герца до десятков мегагерц. Энергия отдельного импульса достигает нескольких джоулей.[6]
Наибольшее распространение в настоящее время получили газовые лазеры. Они способны генерировать излучения больших интенсивностей как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы, обладают высокими спектральной частотой и степенью когерентности. Эти лазеры наиболее перспективны для целей локации и связи.[7]
Источником вынужденного излучения в газах служат возбужденные нейтральные атомы, молекулы или слабоионизованная тлеющим электрическим разрядом плазма. Число возникающих в столбе разряда электрон—ионных пар в точности компенсирует потери заряженных частиц на стенках газоразрядной трубки. Поэтому количество возбужденных атомов постоянно, а их излучение как правило непрерывно. Поскольку газовая среда весьма однородна, световой луч в ней рассеивается слабо и на выходе расходится очень мало. Мощность излучения газовых лазеров в зависимости от типа и конструкции может составлять от милливатт до десятков киловатт. Семейство газовых лазеров наиболее многочисленно.[8]
Активной средой полупроводниковых лазеров служат полупроводниковые кристаллы (GaAs, InSb, PlS и др.). В отличии от всех других активных сред, уровни энергии в которых дискретны и поэтому генерируют монохроматичное излучение, полупроводники имеют довольно широкие энергетические зоны; их излучение происходит в широком диапазоне длин волн и обладает малой когерентностью. В активной среде движутся либо избыточные электроны (n-проводимость, от англ. negativ — отрицательный) либо дырки, их нехватка (p-проводимость, от positiv — положительный). При их рекомбинации в слое p- n-перехода энергия электрического тока непосредственно преобразуется в излучение. Накачка производится электрическим током, пучками быстрых электронов, световым потоком.[9]
В полупроводниках удаётся получить очень большие коэффициенты усиления ~ 102—103 см-1, поэтому размеры полупроводникового лазера могут быть сделаны очень малыми — порядка долей мм. лазеры на полупроводниках позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфракрасный диапазоны. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким кпд преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100 %) и могут работать в непрерывном режиме. При температуре жидкого гелия достигается мощность ~ 10 вт, при температуре жидкого азота 4-5 вт. Особенно перспективные инжекционные Л. на гетеропереходах, которые работают в непрерывном режиме при комнатной температуре, создавая мощность ~5×10-2 Вт при КПД до 25 %.[10]
Существует также множество других типов лазеров, используемых реже: на свободных электронах, на нейтральных атомах, ионные, молекулярные, газодинамические, на парах металлов.[11]
