Лекция 3

2.3. Типы лазеров.

Как уже указывалось выше, в технологии обработки материалов в настоящее время применяются в основном твердотельные и газовые лазеры.

2.3.1. Твердотельные лазеры.

Обычно под твердотельными лазерами понимаются квантовые генераторы, инверсная заселенность в твердом рабочем теле которых достигается оптической накачкой. За пределами этого класса остаются полупроводниковые лазеры, где накачка осуществляется электронным или эжекционным способами. К тому же последние, в силу малой выходной мощности, непригодны для технологического применения.

Активная среда твердотельных лазеров содержит активные ионы примеси в твердой матрице. Именно в ионах примесей и создается инверсная заселенность уровней. Хотя инверсия реализована на большом числе ионов переходных и редкоземельных элементов, в лазерах промышленного назначения используются лишь ионы хрома – Cr³⁺ и неодима – Nd³⁺. В качестве матриц твердотельных лазеров применяются такие кристаллические и аморфные вещества как корунд - А1₂О₃, алюмоиттриевый гранат - Y₃Al₅O₁₂, стекло.

Рабочий активный элемент твердотельного лазера представляет стержень круглого или прямоугольного сечения из матричного материала. Максимальные размеры его определяются возможностями получения и обработки, а также необходимостью эффективно охлаждать его во время работы. Возможности теплоотвода задают максимальную выходную мощность лазера. Активный элемент твердотельного технологического лазера должен удовлетворять большому числу, зачастую противоречивых, требований. Он должен обеспечивать большой коэффициент усиления, быть оптически однородным, термостойким, механически прочным, прозрачным (в меру) для излучения накачки, допускать механическую и оптические обработки, иметь высокую теплопроводность. Поэтому неудивительно, что количество веществ рабочих элементов, используемых в твердотельных технологических лазерах невелико. Их характеристики представлены ниже, в табл.3.1.

Таблица 3.1.

Характеристики веществ рабочих элементов, используемых в твердотельных технологических лазерах

Рабочее тело лазера	Рубин (А12О3 + Сг+3)	Алюмоиттриевый гранат (АИГ)	Неодимовое стекло
Длина волны излучения, мкм	0,6943 0,63	1,06 2,0132 2,123	1,06
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К	30	10	1
Максимальные размеры, ·L, см	1 15	0,5 10	5 50
Пороговая энергия, Дж/м3	5·107	5·105	5·105
Возможные режимы работы	Импульсно-периодический	Импульсно-периодический и непрерывный	Импульсно-периодический
Длительность излучения в режиме свободной генерации, 10-3 с	1	0,5…10	0,1…1
Энергия излучения, Дж: а) в режиме свободной генерации, 10-3 с	102	1…10	103
а) в режиме с модулированной добротностью	0,1…1	0,1…1	102
Мощность непрерывной генерации, Вт, max	-	8	-
, %	0,2…0,5	2…3	~1
Концентрация активных ионов, см-3	1018	(2…5)·1020	1020
К0, см-1, max	10-2	1	1…3
, рад	10-3÷10-2	10-2	5·10-3÷10-3

Принципиальная схема устройства твердотельного лазера показана на рис.3.1.

Рис.3.1. Устройство твердотельного лазера с оптической накачкой. I - рабочее тело, 2 - полупрозрачное зеркало, 2' - сферическое зеркало, 2, 2' - резонатор, 3 - лампа-вспышка, 4 - отражающим экран, 5 - зарядное устройство

Большинство твердотельных лазеров работает в режиме импульсного возбуждения, продолжающегося < 1 мс и, при отсутствии специальных мер, имеет так называемый режим генерации (режим автоколебаний).

Один из первых твердотельных лазеров, работающих по схеме 3-х уровней был создан в 1960 г. В нем был использован кристалл рубина, представляющий по химическому составу оксид алюминия Al₂O₃ с примесью оксида хрома Cr₂O₃ (0,05%). В кристаллической решетке оксида алюминия определенная часть атомов Al заменена ионами Cr³⁺. Источником световых колебаний являются ионы хрома, имеющие ряд энергетических уровней (рис. 3.2). При облучении рубина светом лампы накачки происходит интенсивное поглощение на двух длинах волн 0,41 и 0,56 мкм. В результате поглощения ионы хрома переводятся на уровни возбуждения А. С уровней А благодаря релаксационным переходам опускаются на 2 метастабильных уровня В. Уровни, на которых частица задерживается дольше (несколько миллисекунд), чем на других, называются метастабильными. Между метастабильными и нормальными уровнями создаётся инверсное состояние N_B>N_C. Индуцированное излучение возникает при переходе ионов хрома с метастабильных уровней в нормальное состояние. При этом излучается красный свет с =6943 Å.

Для увеличения мощности и сокращения длительности генерации широко используется метод модулированной добротности. В этом случае в резонатор помещают просветляющийся оптико-электрический затвор. Накачка лазера происходит в течение времени – ~ времени релаксации верхнего лазерного уровня (10^-4÷10^-3 с). Затем затвор просветляется, и осуществляется режим генерации в виде одного импульса длительностью t _и ~ времени вынужденного излучения ( 10^-9 с).

Рис. 3.2. Схема энергетических уровней кристалла рубина

Как видно из данных табл.3.1, расходимость излучения таких лазеров существенно выше дифракционной (~ на порядок). Для уменьшения расходимости вводят ограничивающие апертуры, а также делают шероховатыми боковые стенки стержней. Эта процедура уменьшает выходную мощность, но одновременно уменьшает и расходимость. Последовательным размещением нескольких квантовых усилителей на Nd - стекле при одном задающем маломощном генераторе можно существенно повысить выходную мощность. Таким методом удалось получить импульсы излучения с энергией 10⁴ ÷10⁵ Дж и длительностью 10^-9 с, т.е. мощностью излучения Р~ 10¹³ ÷10¹⁴ Вт и = 10²¹÷10²² Вт/м² - рекордные для КПЭ показатели.