1.2 Типы лазеров

В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры можно разделить на несколько типов (рис.1.2.) - твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п.

Отдельное место занимают 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

Д адим определение коэффициенту полезного действия (КПД) лазера. Различают теоретически возможный (квантовый выход) и реальный (полный) КПД. Последний определяется отношением мощности излучения лазера к мощности, потребляемой от источника накачки. У газовых лазеров полный КПД составляет 1-20% (гелий-неоновый - до 1%, углекислотный 10-20%,), у твердотельных - 1-6%, у полупроводниковых - 10-50% (в отдельных конструкциях до 95%). Поэтому только полупроводниковые лазеры можно применять в автономной и портативной терапевтической аппаратуре.

Далее будут рассматриваться семейства лазеров по широте их применения в технологии [3, 4]. Также будут приведены новейшие разработки в лазерной технологии [5].

1.3. Газовые лазеры

Они были созданы 1960 году. На рисунке 1.3 представлена принципиальная схема газового лазера [2].

Рис. 1.3. Схема газового лазера: 1 – охлаждаемая водой разрядная трубка; 2 – система электродов; 3 - газоразрядная плазма; 4 - глухое зеркало резонатора; 5 - полупрозрачное зеркало резонатора.

В газовых лазерах активной средой являются газ, смесь газов или смесь газа с парами металлов низкого давления. Энергетические уровни в газах узкие, так как механизмы уширения, действующие в газах, слабее, чем в твердых телах, а поскольку в такой активной среде отсутствуют широкие полосы поглощения, то оптическая накачка с ее широким спектром излучения не эффективна. Газовые лазеры накачиваются электрически, прохождением через среду электрического тока (тлеющим разрядом). В непрерывном режиме работы активная среда возбуждается стационарным тлеющим разрядом, в импульсном - импульсным разрядом высоковольтного источника с частотным повторением импульсов » 10³ Гц. Хотя существуют и другие пути накачки: метод газодинамического расширения, химической накачки, излучением другого лазера и т.д.

В газе из возбужденного состояния частица может перейти на более низкие уровни, кроме лазерной релаксации, как минимум четырьмя другими способами (за счет столкновений с электронами, другими атомами, стенками сосуда и т.д.). Поэтому процесс создания инверсии населенности в газовых средах намного сложнее, чем в твердых телах. Инверсия населенности возникает при выполнении одного или двух фундаментальных условий:

1) скорость возбуждения верхнего лазерного уровня больше, чем нижнего;

2) скорость релаксации верхнего уровня меньше, чем нижнего. Последнее условие необходимо для реализации непрерывной генерации.

Большой класс лазеров работает на нейтральных атомах инертных газов. Наибольшее значение среди них приобрел гелий-неоновый (He - Ne) лазер, с наиболее часто используемыми линиями генерации l = 0,633 (красная) и 0,543 мкм (зеленая). Основное преимущество такого лазера - это излучение света в видимой области. В лазерной технологии эти лазеры используются главным образом для юстировки технологических лазеров и как источник видимого света.

В последнее время разработаны и находят все большее применение лазеры, работающие на парах металлов. Как правило, все они работают в видимой области.

Самым большим классом газовых лазеров, в основе работы которых лежат переходы между энергетическими уровнями молекулы, являются молекулярные газовые лазеры. В зависимости от типа участвующего в генерации перехода молекулярные лазеры делятся на три класса:

- первый, это лазеры на колебательно-вращательных переходах, (это переходы между колебательными уровнями одного и того же электронного (основного) состояния). Диапазон генерации волн лежит в пределах l = 5-300 мкм. В настоящее время из этого класса наиболее важное значение приобрели квантовые генераторы, работающие на молекулах углекислого газа, так называемые CO₂- лазеры;

- второй, это лазеры, работающие на электронно-колебательных переходах (азотные лазеры, эксимерные);

- третий, это лазеры на чисто вращательных переходах с длиной волны генерации 25 мкм -1 мм.

1.3.1. СО₂ - молекулярные газовые лазеры.

В этих генераторах используется специальная смесь газов СО₂ , N₂ и He. Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы CO₂, а N₂ и He служат для повышения КПД. Эти лазеры сейчас являются одними из самых мощных (примерно 80 кВт) и наиболее эффективных (КПД ~ 15 - 20%). Длины волн генерации составляют 10,6 и 9,5 мкм.

На рис.1.4 приведена схема энергетических уровней основных электронных состояний молекулы СО₂. Эта молекула имеет три невырожденные колебательные моды (рис.1.5):

1) симметричную валентную моду (u₁),

2) деформационную моду (u₂),

3) асимметричную валентную моду (u₃) и описывается квантовыми числами n₁, n₂ и n₃, которые определяют число квантов в каждой колебательной моде.

Рис. 1.4. Колебательные уровни основных электронных состояний СО₂ и переход в молекуле N₂ (обозначения уровней означает колебательную моду и число квантов в каждой моде

Так, запись 02⁰0 означает, что уровень относится к моде 2 (см. рис. 1.5) и имеет два кванта. Переход в N₂ помогает более эффективной накачке энергетических уровней СО₂. Мода 2 соответствует уровню с наименьшей энергией, и тогда генерация идет на переходах 00⁰1 - 10⁰0, что соответствует длине волны генерации (10,6 мкм) и 00⁰1 - 02⁰0 (9,6 мкм).

Рис.1.5. Три фундаментальные моды колебаний молекулы СО₂:

u₁ - симметричная валентная мода; u₂ - деформационная мода;

u₃ - асимметричная валентная зона.

Накачка на верхний уровень происходит непосредственно через столкновение молекулы с электронами: е + СО₂ (000) ® е + СО₂ (001) (при этом молекула остается в основном состоянии) и через резонансную передачу энергии от молекулы N₂, так как высокоэнергетические колебательные моды N₂ находятся почти на одном энергетическом уровне соответствующей моды СО₂.

Конструктивно СО₂ - лазеры разделяются на семь типов и отличаются по скорости и направлению прокачки газовой среды, по величине ее давления, а также механизмами и способами накачки. Все указанные лазеры имеют общую особенность, а именно: высокий КПД (15-20%), который является следствием большого квантового выхода (~40%) и высокой эффективности процесса накачки. Рассмотрим пять основных типов лазеров.

1.3.2. СО₂ - лазеры с медленной продольной прокачкой

В таких системах газовая смесь медленно прокачивается вдоль охлаждаемой лазерной трубки для удаления продуктов диссоциации, например СО, и отвода тепла через стенки резонатора. Главным ограничением этого лазера является зависимость выходной мощности от единицы длины разряда:

W_л»I_p ×p×D² ×l

здесь D - диаметр активной среды, l - ее длина, p - давление газа.

При оптимальных значениях I_р и постоянном значении p×D = 22,5 мм.рт.ст.×см величина выходной мощности прямо зависит от длины резонаторной трубки. Лазеры данной конструкции имеют относительно низкую мощность (50-100 Вт), для увеличения которой их делали очень длинными - до 100 м. Этот недостаток удалось устранить, изготовив резонатор в свернутом виде, то есть в виде многотрубной укладки, а электроды - в виде щетки или гребенки по всей длине трубки. В этом случае удалось значительно сократить расстояния между электродами, а это, в свою очередь, позволило увеличить давление рабочей смеси (так как для поддержания устойчивого разряда в трубке требуется выполнение условия p × l = const) и тем самым увеличить число активных центров. Такие усовершенствования привели к уменьшению размеров лазеров в сотни раз при сохранении мощности.

В лазеры такой конструкции используются для подгонки резисторов, резки керамических пластин в электронной промышленности, а также для сварки тонких металлических пластин (<1 мм).

1.3.3. СО₂ - лазеры с быстрой продольной прокачкой

В таких конструкциях газовая смесь прокачивается со сверхзвуковой скоростью, что дает возможность охлаждать ее путем быстрого удаления смеси из рабочей зоны в охладитель и тем самым преодолеть ограничение на выходную мощность. Прокачка с большой скоростью означает увеличение количества активных центров, что позволяет увеличить ток I_р и тем самым W_л . В современных лазерах достигнуты параметры по мощности ~ 1 кВт/м и больше. За пределами резонатора газ охлаждается и проходит необходимую генерацию (2СО + О₂ = 2СО₂) в присутствии катализатора. В этом режиме лазер работает практически в автономном режиме.

В настоящее время СО₂ - лазеры с быстрой продольной прокачкой (мощностью 1-3 кВт) нашли широкое применение во многих операциях по обработке и термообработке материалов и, в частности, для лазерной резки металлов (с толщиной до нескольких миллиметров).