Типы лазеров

В настоящее время существует множество лазеров разного типа. Они раз­личаются активной средой и способом накачки. В качестве активной среды используются твердые, жидкие и газообразные вещества, а из многих способов накачки наиболее универсальны оптическая и накачка с помощью элект­рического разряда в самой активной среде. Следует отметить, что накачка может быть непрерывной или импульсной. Последняя удобна для получения импульсного лазерного излучения и вы­годна, в частности, тем, что активная среда меньше нагревается и, следова­тельно, облегчается ее охлаждение.

Рассмотрим основные типы лазеров.

Твердотельные лазеры. Активная сре­да — диэлектрический кристалл или спе­циальное стекло. Возможность лазерно­го излучения существует у нескольких сотен различных диэлектрических кри­сталлов. Примером твердотельного ла­зера может служить лазер на рубине, исторически первый и широко исполь­зуемый в настоящее время. Рубин пред­ставляет собой оксид алюминия с при­месью ионов хрома. Лазер на рубине дает излучение темно-красного цвета с длиной волны около 0.69 мкм. Раз­личные стекла для лазеров активируют редкоземельными элементами. Генери­руемое излучение у лазеров на стеклах может быть с разной длиной волны, в частности 1 мкм. Для твердотельных лазеров применяют исключительно оп­тическую накачку, например в виде из­лучения газоразрядных ламп (импульс­ных или непрерывного горения) или ламп накаливания. Источником на­качки может быть вспомогательный лазер.

Жидкостные лазеры. В качестве ак­тивной среды чаще всего используются растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Из­вестны несколько сотен различных ор­ганических красителей, пригодных для лазерной генерации. Они позволяют по­лучать излучение с длиной волны от 0,3 до 1,3 мкм, т. е. от ультрафиолето­вого до инфракрасного. Для жидкостных лазеров применяют непрерывную или импульсную оптическую накачку от вспомогательного лазера или от газо­разрядной лампы.

Газовые лазеры. Существует много разновидностей. Одна из них — фото-диссоционный лазер. В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (рас­падаются) на две части, одна из кото­рых оказывается в возбужденном состоя­нии и используется для лазерного из­лучения.

Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в ко­торых активной средой является разре­женный газ (давление 1 — 10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлею­щим или дуговым и созда­ется постоянным током или переменным током высокой частоты (10 — 50 МГц).

Имеется несколько типов газоразряд­ных лазеров. В ионных лазерах излуче­ние получается за счет переходов элект­ронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый ла­зер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах гене­рируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ато­мов. Эти лазеры дают излучение с дли­ной волны 0,4 — 100 мкм. Пример — гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоян­ным напряжением примерно 1000 В.

К газорязрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излу­чение возникает от переходов электро­нов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий дли­нам волн от 0,2 до 50 мкм.

Наиболее распространен из молеку­лярных лазер на диоксиде углерода (СО2-лазер). Он может давать в непре­рывном режиме мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД — около 40 %. К основному углекислому газу обычно еще добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накач­ки применяют тлеющий разряд постоян­ного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около ГО мкм. Схема­тически он показан на рис. 1.

Разновидность СО2-лазеров — газо­динамические. В них инверсная населен­ность, необходимая для лазерного из­лучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20 — 30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

К молекулярным относятся так называемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.) либо его соединение с хлором или фтором. В таких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энер­гией в сотни килоэлектрон-вольт). Излу­чаемая волна получается наиболее ко­роткой, например, у лазера на аргоне 0,126 мкм.

Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью иони­зирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем (рис. 2). Ионизирующим излучением служит по­ток быстрых электронов либо ультра­фиолетовое излучение. Такие лазеры на­зывают электроионизационными, иногда лазерами на сжатом газе.

Возбужденные молекулы газа за счет энергии химических реакций получаются в химических лазерах. Здесь использу­ются смеси некоторых химически актив­ных газов (фтор, хлор, водород, хло­ристый водород и др.). Химические ре­акции в таких лазерах должны проте­кать очень быстро. Для ускорения при­меняются специальные химические реагенты, которые получаются при диссо­циации молекул газа под действием оп­тического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. При­мером химического лазера может слу­жить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа.

Особый тип газового лазера — плаз­менный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (маг­ний, барий, стронций, кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ. Длительность импульсов 0,1 — 1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волны 0,41—0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой об­ласти.

Полупроводниковые лазеры. Хотя они являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих ла­зерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с ниж­него края зоны проводимости на верх­ний край валентной зоны. Существует два типа полупроводниковых лазеров. Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка про­изводится пучком быстрых электронов с энергией 50—100 кэВ. Возможна так­же оптическая накачка. В качестве полу­проводников используются арсенид гал­лия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe. Накачка электрон­ным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, отчего лазерное излу­чение ухудшается. Поэтому такие лазе­ры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К.

Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3) или продольной (рис. 4). При поперечной накачке две противоположные грани полупро­водникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накач­ки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улуч­шается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера — лазер на суль­фиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.

Второй тип полупроводникового ла­зера — так называемый инжекционный лазер. В нем имеется п — р-переход (рис. 5), образованный двумя вырож­денными примесными полупроводника­ми, у которых концентрация и донорных, и акцепторных примесей состав­ляет 1018 —1019 см"3. Грани, перпенди­кулярные плоскости n — р-перехода, отпо­лированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается прямое напряжение, под дей­ствием которого понижается потенци­альный барьер в п — р-переходе и про­исходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсив­ная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и воз­никает лазерное излучение. Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия. Излучение име­ет длину волны 0,8 — 0,9 мкм, КПД довольно высок — от 50 до 60 %. Мини­атюрные инжекционные лазеры с линей­ными размерами полупроводников око­ло 1 мм дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме могут иметь мощ­ность до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлажде­ния.

Следует отметить, что в устройстве лазеров имеется много различных осо­бенностей. Оптический резонатор лишь в простейшем случае составлен из двух плоскопараллельных зеркал. Применя­ются и более сложные конструкции резонаторов, с другой формой зеркал.

В состав многих лазеров входят до­полнительные устройства для управле­ния излучением, расположенные либо внутри резонатора, либо вне его. С по­мощью этих устройств отклоняется и фокусируется лазерный луч, изменяются различные параметры излучения. Длина волны у разных лазеров может состав­лять 0,1 — 100 мкм. Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижимая мощ­ность — 109 Вт для наносекундных им­пульсов и 1012 Вт для сверхкоротких пикосекундных импульсов.