6.3.2.3 Лазеры

Ла́зер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника.

Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Область применения:

-интерферометры;

-дальномеры;

-оптическая связь (телевидение);

-измерение угловых и линейных скоростей;

-системы самонаведения;

-медицина;

-вычислительная техника и т.д.

Основные характеристики:

-монохроматичность (= const)

-когерентность (Δ(фаза) =const)

-направленность.

Пространственная когерентность – постоянная разность фаз в один и тот же момент времени (=0, время запаздывания) в разных точках пространства.

Временная когерентность – постоянная разность фаз в одной точке пространства в различные моменты времени ().

Время когерентности  и длина когерентности l.

l = c;  определяется временем излучения одного атома. Для некогерентного источника   10^-8 с. Наибольшая когерентность у газовых лазеров:   10^-2 с.

Монохроматичность.

Рисунок 6.47

Δ- полуширина линии, которая определяется из соотношения:

, (6.28)

где  - время когерентности.

Монохроматичность излучения определяется соотношением:

(6.29)

Монохроматичность у лазеров достигает 10^-10 при Δ=10^-7 нм.

Основные конструктивные параметры:

-габаритные размеры;

-масса лазера и блока питания;

-диапазон рабочих температур;

-время включения;

-время непрерывной работы;

-потребляемая мощность;

-КПД;

-тип резонатора.

Основные узлы лазера:

1. Активный элемент (среда). 2. Оптический резонатор. 3. Система накачки. 4. Блок питания.

1. Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:

(6.30)

здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N₀ — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана ( ), T — температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов.

Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:

, (6.31)

здесь I₀ — начальная интенсивность, I_l — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a₁ — коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:

, (6.32)

где a₂ — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

2. Оптический резонатор

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:

, (6.33)

то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

, (6.34)

здесь c — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

. (6.35)

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора (рис. 6.48). В этом случае излучение лазера будет многомодовым.

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Рисунок 6.48

Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:

. (6.36)

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

3. Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества.

В газовых и жидкостных лазерах (гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов.

Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

а — трёхуровневая; б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера

Рисунок 6.49 – Схема накачки активной среды

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al₂O₃, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr³⁺, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E₂ расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E₀ в возбуждённое с энергией около E₂. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10⁻⁸ с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E₁, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10⁻³ с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E₀ на уровень E₁ нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd³⁺, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E₂ и основным уровнем E₀ имеется промежуточный — рабочий уровень E₁. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E₂ и E₁. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E₂) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E₁). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (η_{квантовое} = hν_{излучения}/hν_{накачки}).

Виды лазеров:

• Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах.

• Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Полупроводниковые лазеры — наиболее употребительный в быту вид лазеров. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине.

• Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.

• Газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.

• Газодинамические лазеры — газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N₂+CO₂+He или N₂+CO₂+Н₂О, рабочее вещество — CO₂).

• Эксимерные лазеры — разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.

• Химические лазеры — разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.

• Лазеры на свободных электронах — лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле ондулятора, вторых — мощным полем электромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений. Поскольку каждый электрон излучает до 10⁸ фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.

• Квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зоной полупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.

• Волоконный лазер — лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.

В ОЭП в основном применяют газовые, твердотельные и полупроводниковые лазеры.

Газовый лазер

Активное вещество – смесь газов, либо вещество в парообразном состоянии – находящееся в газоразрядной трубке.

Для перевода газа в возбужденное состояние требуется небольшая энергия.

Типы газовых лазеров:

Таблица 6.23 – Типы газовых лазеров

Лазер	Длина волны, мкм	Мощность, Вт
Кадмиевый	0,3250	несколько тысячных долей
Кадмиевый	0,4416	десятые доли
Аргоновый	0,4480	единицы
Аргоновый	0,5145	десятки
Криптоновый	0,5682	единицы
Гелий-неоновый	0,6328	десятые доли
Гелий-неоновый	1,1523	сотые доли
Ксеноновый	2,0261	сотые доли
Гелий-неоновый	3,3912	сотые доли
СО-лазер	5,6-5,9	сотни
СО2-лазер	9,4-10,6	десятки тысяч
Лазер на молекулах НСN	337	тысячные доли

Гелий – неоновый лазер

В результате газового разряда (рис. 6.50) атом Не возбуждается электронами тока и переходит с уровня 1 на 2 (ионизация атомов гелия).

При столкновении атомов Не с атомами Nе последние тоже возбуждаются и в основном переходят на уровень 2 (вторичная ионизация – атомов неона).

Рисунок 6.50 – Принцип работы He-Ne лазера

В результате рекомбинации (переходе ионов неона на стационарный уровень) происходит высвобождение энергии в виде фотонов света, частота излучения которого зависит от ширины запрещенной зоны между соответствующими энергетическими уровнями.

1 - газоразрядная трубка; 2 - электроды; 3 - сферические зеркала

Рисунок 6.51 – Оптическая схема излучательной головки He-Ne лазера

Некоторые конструктивные параметры He-Ne лазера:

- длина волны излучения λ = 0,63 мкм;

- угловая расходимость   1';

- Р_вых = 0,5  10 мВт;

- Р_потр = 40  90 Вт;

- к.п.д. низкое ( 0,5 %).

1 – фланец; 2 – зеркало резонатора; 3 – окно; 4 – внешние кольцевые электроды; 5 – центрирующее устройство; 6 – газоразрядная трубка; 7 – газопоглощатель; 8 – стягивающие стержни; 9 – кожух; 10 – фланец для крепления зеркала; 11 – юстировочный винт.

Рисунок 6.52 – Конструкция оптической части газового лазера

В газовых лазерах (рис.6.52) активный элемент помещен в специальную разрядную трубку 6 (смесь газов). Резонатор представляет собой систему из двух зеркал 2. Эти зеркала закреплены в массивных головках 10, соединенных между собой стержнями 8 из материала с небольшим коэффициентом линейного расширения . Крепление в держателе – хомутиками, в кронштейне – фиксирующими кольцами. В головках 10 имеются юстировочные винты 11, с помощью которых производится юстировка резонатора, т.е. выставка зеркал в определенное положение относительно друг друга.

Блоки питания газовых лазеров имеют небольшие размеры. Они работают без охлаждения, либо (при большой мощности) – проточной водой.

Основные конструктивные параметры газового лазера.

Типы резонаторов:

Рисунок 6.53 – Типы резонаторов

L – длина резонатора, (укладывается целое число );

l - длина активного элемента;

r₁ и r₂ – радиусы сферических зеркал;

l₁ и l₂ – расстояние между торцами активного элемента и зеркалами;

n – показатель преломления активной среды.

Если l = L , то конфигурация лазера задается 2-мя параметрами:

, , (6.36)

где g_1, g₂ – обобщенные параметры (-2  g₁, g₂  2)

Если l  L, то

(6.37)

Размер пятна в плоскости перетяжки (рис. 6.54):

. (6.38)

Рисунок 6.54

Конфокальный параметр резонатора R_Э - это расстояние от плоскости перетяжки, на котором площадь сечения пучка больше площади перетяжки в два раза:

; (6.39)

где W_O - радиус пучка лазера на выходе.

Расходимость пучка  зависит от R_Э:

. (6.40)

, (6.41)

где  = 2z / R_Э – относительная координата сечения.

(6.42)

при n=1 (пустой резонатор).

Твердотельный лазер

Твердотельный лазер — это лазер, в котором активной средой являются активированные диэлектрические кристаллы и стёкла или диэлектрические кристаллы с собственными точечными дефектами. В качестве активаторов кристаллов и стёкол обычно служат ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа. Собственные точечные дефекты в кристаллах возникают под воздействием ионизирующего излучения или путём аддитивного окрашивания. Энергетические уровни активаторов или собственных дефектов используются для создания инверсной населённости. Широко используются лазеры на кристалле рубина — оксида алюминия (Al₂O₃), в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr³⁺, 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.

Диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Твердотельные лазеры работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.

Рисунок 6.55 – Функциональная схема твердотельного лазера

Излучающая головка – преобразует электрическую энергию в световую, а затем и в монохроматическое излучение.

Блок конденсатора – накопление энергии.

Выпрямительный блок – преобразование переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденсаторы.

Блок поджига – вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах – вспышках.

Активный элемент выполнен в виде цилиндра, призмы или стержня (рубин Al₂O₃, часть атомов Al заменена атомами Cr, количество хрома определяет цвет рубина; неодимовое стекло; гранат с неодимом, =1,06 мкм) на полированные концы которого наносятся зеркальные покрытия, образующие резонатор. При обработке торцов добиваются высокой точности (параллельность  9 ÷ 19^).

Размеры активных элементов:

поперечные – до 30 мм;

продольные – до 60 мм.

Генерация твердотельных лазеров осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Активный элемент этих лазеров обычно имеют форму кругового цилиндра или стержня прямоугольного сечения. Иногда применяют и активный элемент более сложных конфигураций.

Рисунок 6.56 – Устройство рубинового лазера

Наибольшее распространение получила конструкция твердотельных лазеров, в которой цилиндрический активный элемент вместе с газоразрядной лампой накачки помещаются в камеру-осветитель, концентрирующую излучение лампы накачки в активный элемент. Из-за многократности отражения излучения накачки от внутренней поверхности камеры-осветителя достигается более полное его поглощение в активный элемент. Применяют осветители, в которых одна лампа накачки работает на нескольких активных элементах или, напротив, один активный элемент накачивается несколькими или большим числом ламп.

Таблица 6.24 – Основные виды твердотельных лазеров

Тип лазера	Длина волны, мкм
Nd-YAG (алюмо-иттриевый гранат с добавками неодима)	1,06; 0,53; 0,355; 0.266
Nd-стекло (на неодимовом стекле)	1,06; 0,53; 0,355; 0.266
Er-стекло (эрбиевый)	1,54
Рубиновый	0,6943
Ti-сапфир (титан-сапфировый)	0,66 – 0,98
Cr-BeAl2O4 (александрит)	0,72 – 0,78

Твердотельные лазеры с успехом работают в режиме модуляции добротности резонатора, что позволяет генерировать гигантские импульсы, длительность и энергия которых зависят от скорости включения затвора и свойств активной среды. Обычные значения длительности таких импульсов (1 - 10)·10^-8 с. Их пиковая мощность ограничивается при этом оптической прочностью активных и пассивных элементов резонатора, которая обычно составляет величину ~ 5·10² МВт на 1 см² поверхности. Объёмная оптическая прочность лазерных материалов обычно оказывается выше. Модуляция добротности резонатора осуществляется как пассивным образом (насыщающиеся поглотители), так и активным (электро- и акустооптические модуляторы). Иногда применяют и механические модуляторы (рис. 6.57),

Рисунок 6.57 – Структурная схема лазера с моделяцией добротности резонатора

Одно из зеркал (левое) – глухое, а другое расположено на оси электродвигателя. Если это зеркало повернуто на 90⁰ (торцом к активному веществу), то добротность резонатора равна нулю и генерации излучения нет, хотя накачку активного вещества можно осуществить.

Если это зеркало резко перевести в положение резонатора, то добротность последнего станет максимальной. В стержне мгновенно возникнет генерация. Вся энергия высвободится в одном коротком импульсе. Потом процесс повторяется. Длительность импульса  10^-9с, а мощность такого лазера составляет 50 мВт.

К примеру, плотность мощности, требуемая:

для плавления металла – 10⁵ Вт/см²;

для кипения металла – 10⁷ Вт/см²;

для получения плазмы – 10⁹ Вт/см².

Помимо вращающихся зеркал в качестве оптических затворов используют ячейки Керра, ультразвуковые ячейки, просветляющиеся фильтры (меняют прозрачность под действием светового потока).

Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется :

- непосредственно электрическим током (прямая накачка);

- электронным пучком;

- электромагнитным излучением.

Принцип работы.

Активное вещество – полупроводник с p – n переходом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две энергетические полосы: валентную зону и зону проводимости.

Рисунок 6.58

Если на полупроводник подействовать импульсами электрического тока или световыми импульсами, то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (накачка).

Верхняя энергетическая зона (проводимости) будет перенаселена. При рекомбинации электрических зарядов – излучение фотонов.

При возбуждении импульсами электрического тока можно получить запрещенные зоны различной ширины и в результате – излучение в широком спектральном диапазоне (от далекой ИК до УФ).

К.п.д.  40-50%.

Торцы диода тщательно полируются, они параллельны и являются резонатором лазера. Излучение выходит из этих торцов.

Размеры такого полупроводникового диода – доли мм, блок питания простой.

Лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Излучение на выходе очень просто модулировать током, питающим его.

В качестве активного вещества используются:

-арсенид галлия Ga As – 0,85 мкм;

-селенид галлия Ga Se – 0,6 мкм;

-сульфид кадмия CdS – 0,5 мкм;

-сульфид цинка ZnS – 0,33 мкм и т.д.

Некоторые из лазеров нуждаются в охлаждении до низких Т (GaAs), для этого их помещают в термостат с жидким азотом (77⁰К).

Рисунок 6.58 – Схема полупроводникового лазера