Типы оптических квантовых генераторов

Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы:

1) рабочее тело, состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия заселенностей;

2) систему, позволяющую осуществлять инверсию;

3) оптический резонатор;

4) устройство для вывода энергии из резонатора;

5) систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света;

6) различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

В ОКГ применяют следующие виды накачки:

а) оптическую - за счет облучения вещества мощным световым потоком;

б) электрическую, осуществляемую при прохождении через вещество электрического тока;

в) химическую, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество, и т.д.

В зависимости от режима работы ОКГ различают устройства, работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

Существующие лазеры по роду материалов, используемых для получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре основных типа: твердотельные с оптическим возбуждением, полупроводниковые (инжекционные), жидкостные и газовые.

1. Лазеры твердотельные с оптической накачкой. В лазерах этого типа излучателем - 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 или молибдатов, синтетического рубина, стекла различных составов. Активирующими примесями являются различные редкоземельные элементы, а также хром и уран.

Длительность импульса твердотельных ОКГ определяется индуктивностью, включаемой в цепь конденсаторной батареи, и обычно колеблется в пределах 0,1 -10 мс. Частота повторения импульсов зависит в основном от условий охлаждения и характеристик импульсной лампы.

КПД твердотельных лазеров относительно невысок, поскольку значительная часть подводимой к лампе накачки энергии превращается в теплоту.

Лазерное излучение на поверхности обрабатываемой детали фокусируется с помощью сферической или цилиндрической оптики. В первом случае луч фокусируется в точку, во втором - в линию.

2. 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, называют инжекционными.

Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким преобразованием электрической энергии в когерентное излучение (до 100%) и могут работать в непрерывном режиме.

3. Жидкостные лазеры. Их основное преимущество - возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения, что позволяет получать большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах. Созданы лазеры на основе растворов редкоземельных ионов в ряде неорганических жидкостей, а также лазеры непрерывного и импульсного действия, у которых в качестве активной среды используются 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, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности, при этом они генерируют излучение с узким спектром частот.

4. Газовые лазеры. Стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В ее торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от ИП. В трубке возбуждается газовый разряд. Для газовых лазеров подбирают специальные активные смеси, атомы или молекулы которых могут некоторое время находиться в метастабильном состоянии. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают меньшей плотностью и более высокой однородностью, что не вызывает искажения светового луча, его рассеяния и потерь энергии. В результате направленность лазерного излучения в газах резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией. 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 три большие группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.