Промышленное применение лазеров

Рентгеновские лазеры (Х<100 нм)

Развитие этих лазеров обусловлено требованиями развития нано­

составляет десятки и даже сотни электронвольт, что создает большие трудности при разработке подходящих активных сред с нужным спектром энергетических уровней. Кроме того, в рентгеновском диа­ пазоне возрастает роль спонтанных переходов, поскольку отношение их вероятности к вероятности индуцированного излучения пропор­ ционально кубу частоты Атп/Вт &v3, что затрудняет генерацию ин­ дуцированного излучения.

В качестве активных сред в рентгеновских лазерах используют­ ся плазменные среды с многократно ионизированными атомами. Энергетические состояния этих атомов по своей структуре аналогич­ ны энергетической структуре эквивалентных атомов с той лишь раз­ ницей, что значение энергии уровней ионов будет намного больше, чем нейтральных атомов.

Получение плазмы с такими многократно ионизированными (многоразрядными) ионами возможно только в установках типа тех, которые используются для термоядерного синтеза, поэтому это огра­ ничивает их применение в настоящее время. Однако в силу важности отмеченных выше применений работы по созданию этих лазеров в развитых странах проводятся достаточно интенсивно. К данному моменту времени получена лазерная генерация в режиме сверхко­ ротких импульсов на Se24~ Ar8~ Ag37~ и ряде других элементов в диапазоне длин волн 3^-50 нм.

Лазеры на свободных электронах

Этот тип лазеров использует основные преимущества, зало­ женные в работу электронных вакуумных приборов с динамическим управлением- В лазерах на свободных электронах используются электронные потоки, ускоренные до релятивистских скоростей

и движущиеся через ондулятор. Ондулятор представляет собой уст­ ройство с периодически изменяющимся электрическим или магнит­ ным полем. В магнитном ондуляторе поле формируется набором расположенных друг за другом магнитов с чередующейся полярно­ стью. Кроме поступательного движения электроны под действием периодического магнитного поля совершают периодические колеба­ ния. Периодические колебания (осцилляции) электронов сопровож­ даются электромагнитным излучением с частотой v0 « VIX, где V- скорость переносного (продольного) движения электронов, X - пери­ од изменения магнитного поля.

Расчеты показывают: чтобы излучение электронов попало в ви­ димый диапазон спектра, необходимо разогнать электроны до энер­ гии в 50 МэВ при А,=1 см. Современные ускорители заргженных час­ тиц позволяют разогнать электроны до энергий, превышающих 500 МэВ, что будет соответствовать излучению в начале рентгенов­ ского диапазона.

2.3.3. П олупроводниковы е лазерьк

Широкое распространение получили твердотельные лазеры на обычных полупроводниковых /T-w-переходах (лазерные диоды) или многослойных гетеропереходах с использованием так называемых твердых растворов (гетеролазеры). Одно из главных отличий полу­ проводникового лазера от лазеров других типов состоит в том, что индуцированные переходы происходят не между узкими уровнями энергии, а между энергетическими зонами.

В качестве активного вещества в полупроводниковых лазерах применяют обычно арсенид галлия, а также кремний с примесью индия, фосфат 1шглия, арсенид индия и другие полупроводниковые материалы.

Полупроводниковые вещества как излучающие среды подраз­ деляются на прямозонные и непрямозонные, в которых соответст­ венно реализуются прямые и непрямые переходы. Физическая при­ чина их различия определяется законом дисперсии Е =/ (р), т.е. за­ висимостью энергии состояния Е от квазиимпульса р.

Впрямозонных полупроводниках GaAs, InP, InSb и др. максимум Е(р) в валентаой зоне (ВЗ) и минимум Цр) в зоне проводимости (ЗП) соответствуют одинаковым р. Достоинство прямозонных полупровод­ ников - большая вероятность излучательного межзонного перехода.

Вполупроводниках типа Ge, Si. SiC, GaP, AlAs (непрямозонные полупроводники) экстремумы зон смещены, поэтому переходы меж­ ду ними сопровождаются большим изменением квазиимпульсов, причем последние превышают квазиимпульсы фотонов. По закону сохранения квазиимпульса излучательный переход без участия третьих тел в таких полупроводниках запрещен. В этом случае необ­ ходимо участие фононов, воспринимающих изменение квазиимпуль­ са частиц при их межзонном переходе. При «непрямых» переходах излучательная рекомбинация свободных носителей тока, находящих­ ся в энергетических состояниях на краях соответствующих зон, зна­ чительно меньше безызлучательной рекомбинации через примеси.

Бинарные соединения обычно изготавливаются в виде крупных слитков, большинство твердых многокомпонентных растворов вы­ ращивается в виде эпитаксиальных слоев. Для лазеров на основе ге­ теропереходов, работающих при повышенных температурах, важную роль играют соединения с одинаковыми периодами решетки (изопериодические пары). К ним относятся растворы, образуемые взаим­ ным замещением галлия и алюминия, поскольку оба этих элемента имеют близкие ковалентные радиусы. В таких растворах, как AlGaAs, AtGaPAs, AIGaSb, период решетки остается почти постоян­ ным при изменении соотношения алюминия и галлия, тогда как ши­ рина запрещенной зоны Eg значительно изменяется. Многослойные гетероэпитаксиальные структуры на основе изопериодических соста­ вов AlGaAs позволили создать эффективные инжекционные лазеры

вдиапазоне волн 0,62-Ю,9 мкм.

Новые возможности создания изопериодических пар связаны с четырехкомпонентными твердыми растворами, например GalnPAs. Изопериодичность решетки в них достигается дозированным добав­ лением к InP примесей Ga и As, причем влияние обеих примесей на период решетки взаимно компенсируется.

Конструкция полупроводникового лазера напоминает конст­ рукцию плоского диода. Поэтому эти лазеры называют диодными лазерами (рис. 2.17). Накачка таких лазеров обеспечивается Пропус­ канием электрического тока через полупроводниковый материал.

Рис. 2.17. Схема полупроводникового лазера: У- излучение: 2 - 2 , 6 - металлический контакт; 3 - р - область; 4 - /т-п-переход; 5 - /7-область; 7 - электрод

Конструктивными особенностями полупроводниковых лазеров являются полосковая геометрия активной зоны (рис. 2.18) и различ­ ная расходимость излучения в ортогональных сечениях: большая в поперечном, меньшая в продольном. Высокий коэффициент усиле­ ния позволяет полупроводниковым лазерам генерировать даже в от­ сутствие зеркал резонатора, т.к для обратной связи достаточно отра­ жения на боковых гранях кристалла.

Рис. 2.18. Конструкция полупроводникового лазера

В инжекционном полупроводниковом гомолазере активным эле­ ментом служит монокристалл арсенида галлия GaAs в форме паралле­ лепипеда с размером сторон в несколько десятых долей миллиметра. В монокристалле арсенида галлия создан электронно-дырочный пере­ ход. Монокристалл укрепляется в массивном медном корпусе, служа­ щем для отвода тепла. Две противоположные грани полупроводнико­ вой пластины, перпендикулярные плоскости перехода, образуют оп­ тический резонатор. Отражающие поверхности резонатора чаще всего получают путем скола кристалла вдоль кристаллографической плос­ кости, что обеспечивает получение идеально ровных и параллельных поверхностей. Ввиду значительного коэффициента преломления света на границе воздух-арсенид галлия коэффициент: отражения от поверх­ ностей резонатора составляет величину порядка 0,3, что достаточно для реализации условий самовозбуждения. Остальные четыре грани полупроводникового кристалла для исключения возникновения пара­ зитных колебаний делают шероховатыми.

Состояние инверсной населенности достигается путем энерге­ тической накачки: при подаче положительного смещения через пере­ ход течет ток инжекции, и большинство энергетических уровней в зоне проводимости заселяются электронами, а в валентной зоне большая часть уровней оказывается свободной.

Вновь излученные в результате переходов фотоны индуцируют новые излучательные переходы, и если энергия индуцированного

излучения превзойдет по величине энергию потерь, то установится режим генерации. Энергия индуцированного излучения, естественно, зависит от числа активных частиц, т.е. от концентрации электронов в зоне проводимости, которая, в свою очередь, определяется напря­ жением смещения или, иначе говоря, током инжекции. Таким обра­ зом, режим генерации устанавливается при определенном значении тока инжекции, называемого пороговым током.

Часто полупроводниковый квантовый генератор (ПКГ) работа­ ет в импульсном режиме. Энергетическая накачка для создания ин­ версной населенности осуществляется импульсами тока, поступаю­ щими к ПКГ от источника питания.

Если /?-л-переход на основном полупроводнике дополнен неод­ нородными (гетерогенными) границами с другим полупроводником или твердым раствором (например, GaAs-Ga^Ali^As), то область ре­ комбинации электронов и дырок резко сужается. Расходимость излу­ чения также значительно уменьшается, т.к. ограничение среды с меньшим показателем преломления приводит к эффекту волновод­ ного распространения. Поэтому гетеролазеры в отличие от обычных лазеров имеют более когерентное, мощное и направленное излучение.

В лазерных диодах на гетеропереходах инжектированные носи­ тели, собранные в узкой активной области, могут создать инверсию населенностей при низких плотностях тока. Гетеропереходы позво­ ляют получить лазерную генерацию в полупроводниках с непрямы­ ми переходами. Наибольшее распространение в инжекционных лазе­ рах на гетеропереходах получили соединения на основе арсенида галлия GaAs. Чтобы создать гетеропереходы на основе этого мате­ риала, необходим полупроводник с широкой запрещенной зоной, потенциальными барьерами и коэффициентами отражений, ограни­ чивающими как потоки носителей, так и потоки фотонов. Таким ус­ ловиям удовлетворяет AlxGai.xAs, поскольку постоянные решетки AlAs и GaAs очень хорошо согласуются. Поэтому смежная область гетероперехода имеет низкую плотность дефектов и не формирует поверхность с большой скоростью рекомбинации. Коэффициент от­ ражения также изменяется незначительно. При содержании алюми­

ния х = 0,2 коэффициент отражения составляет 3,27 по сравнению с 3,43 для GaAs, что обеспечивает хорошие волноводные свойства этого материала. Галлий и алюминий имеют одинаковый тип решет­ ки, практически одинаковые периоды решетки и ковалентные радиу­ сы, равные 1,26 А. Замещение одного из этих элементов другим в гомополярных кристаллах происходит практически без изменения периода решетки. Вследствие различия температурного коэффициен­ та расширения арсенида галлия и арсенида алюминия полное совпа­ дение их решеток имеет место при высокой температуре. Следова­ тельно, выращивание гетероперехода при высоких температурах наиболее благоприятно и осуществляется практически без образова­ ния дефектов роста кристалла.

Полупроводниковые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Однако достигнутый уровень мощности излучения на сего­ дняшний день весьма мал - до нескольких десятков ватт (при крио­ генных температурах); при комнатной температуре мощность падает. Помимо высокого КПД к достоинствам таких лазеров относятся их малые размеры (примерно 1x1x1 мм).

Полупроводниковые лазеры генерируют, как правило, в ближ­ нем ИК-диапазоне или в красной части видимого (у распространен­ ного лазера на арсениде галлия к =0,84 нм). Эти лазеры обладают самым высоким КПД, который может превышать 70 %. Низкая энер­ гия электрического возбуждения, малые размеры, возможность управления частотой генерации - все это обусловило применение полупроводниковых лазеров в системах оптоволоконной связи, запи­ си информации (компакт-диски) и т.д.

Следует учесть, что для увеличения мощности полупроводнико­ вые лазеры могут быть собраны в блоки, состоящие из большого ко­ личества многоэлементных лазеров. Так, был создан блок из 1000 ла­ зеров с обшей мощностью в непрерывном режиме 30^90 Вт или пико­ вой мощностью 1,5-^-2 кВт при КПД около 20 % (Х = 0,8850 мкм).

Обычно разглеры лазеров лежат в пределах 200-400 мкм без уче­ та выводов и корпуса. Спектр излучения гетеролазеров формируется большим количеством как продольных, так и поперечных мод. Диа­ грамма направленности излучения в дальней зоне зависит от числа мод резонатора и дифракционных ограничений для прямоугольной активной области. Для инжекционных лазеров на основе двойных ге­ тероструктур угол расходимости луча достигает 40° вместо 10-45° для гомолазеров и лазеров на односторонних гетероструктурах.

В отрасли электронного машиностроения и приборостроения по­ лупроводниковые лазеры широко используют для сварки, пайки, гра­ вировки и т.п. процессов. КПД таких лазеров достигает 20 %. Они ми­ ниатюрны и обладают достаточно высокими энергетическими показа­ телями. В непрерывном режиме излучения такие лазеры могут достигать выходной мощности до 60 Вт, что сравнимо с некоторыми твердотельными лазерами, а в квазинепрерывном (частота повторения импульсов более 100 Гц)- пиковой мощности до 300 Вт. Эти лазеры излучают на различных длинах волн, что удобно для селективного воздействия на материалы. В дальнейшем планируется создание полу­ проводниковых лазеров с выходной мощностью более 1 кВт, что должно поставить их в один ряд с современными мощными лазерами.

Недостатком полупроводниковых лазеров является очень большая расходимость излучения - до нескольких градусов. Излуче­ ние лазера на арсениде галлия представляет собой луч эллиптическо­ го сечения с малой осью эллипса, параллельной /?-я-переходу. Из-за этого недостатка такие лазеры нельзя применять в интерферометрии и для юстировки. В то же время малый вес, небольшие габариты, вы­ сокий КПД и малая потребляемая мощность важны для таких облас­ тей применения, как связь, дальнометрия и др.

Этот тип лазера можно рассматривать как перспективный. Дальнейшее совершенствование полупроводникового лазера (увели­ чение мощности, снижение расходимости) будет способствовать расширению его использования в технологических целях.

Важнейшими узлами технологических лазеров, определяющи­ ми его энергетическую эффективность и компактность, являются не

только его устройства накачки, но также источники питания и дру­ гие, необходимые для работы установок системы и блоки.

Система питания обеспечивает работу всех узлов лазерной технологической установки, преобразуя энергию переменного элек­ трического тока в другие виды электроэнергии, требуемые для раз­ личных элементов установки.

Источник питания в газовых лазерах непосредственно возбуж­ дает газоразрядную трубку, а в твердотельных лазерах - лампы на­ качки активного элемента, и в зависимости от режима работы лазера работает в импульсном или непрерывном режиме. Источники пита­ ния используются для возбуждения газоразрядного промежутка газо­ вых и твердотельных излучателей.

При импульсном режиме работы лазер можно питать энергией или непосредственно от сети, или от промежуточного накопителя энергии.

Импульсное питание как газовых, так и твердотельных лазеров характеризуется использованием электромагнитных устройств (ем­ костного или индуктивного типа) для предварительного накопления энергии за достаточно большой промежуток времени от сравнитель­ но маломощных источников, а в последующем происходит реализа­ ция накопленной энергии в нагрузке, с помощью которой формиру­ ется импульс (тока или напряжения) заданной формы.

В технологических установках импульсного действия (преиму­ щественно твердотельных) в основном используются накопительные устройства, запасающие энергию в электрическом поле конденсатор­ ной батареи (емкостные накопители). Известны также накопительные устройства другого типа, в которых энергия запасается в магнитном поле дросселей-накопителей (индуктивные накопители).

Промежуточное накопление энергии приводит к существенно­ му усложнению схемы источника питания, однако позволяет совме­ стно с коммутирующими элементами реализовать все необходимые режимы работы с любыми значениями входных параметров, и необ­ ходимая для накачки лазеров энергия может накапливаться в виде энергии электрического (в конденсаторах) или магнитного поля

(в индуктивных элементах). Существующие системы классификации хмножества схем формирования выходных импульсов источников пи­ тания лазерных излучателей основаны на определении вида накопи­ теля энергии и режима его работы.

Зарядка индуктивного накопителя энергии осуществляется от устройства с низким выходным напряжением при среднем значении зарядного тока, равном половине амплитуда тока в момент оконча­ ния зарядки, а для емкостного накопителя выходное напряжение за­ рядного устройства должно быть не менее требуемого значения на­ пряжения накопителя, а среднее значение тока зарядки при заданных значениях напряжения и емкости накопителя зависит от цикла заряд­ ки и может быть во много раз меньше амплитуды импульса разряд­ ного тока. Выбор накопителя определяет требования к параметрам зарядного устройства. Накопители энергии могут работать в режи­ мах полной или частичной разрядки, характер которой определяется типом разрядного коммутатора.

Вся энергия, собранная в накопителе, передается в нагрузку в режиме полной разрядки при замыкании коммутатора для емкост­ ного накопителя и размыкания индуктивного, причем возврат ком­ мутаторов в исходное положение происходит не ранее окончания процесса разрядки накопителя.

При реализации импульсного режима работы излучателя ис­ пользуется импульсный разряд высоковольтного источника, причем ток в лазерном веществе протекает только в течение коротких интер­ валов времени. Инверсия населенности определяется свойствами не­ стационарной плазмы, а максимальная частота повторения импуль­ сов ограничивается только инерционностью процессов в плазме га­ зового разряда и достигает килогерц.

Система управления обеспечивает необходимую точность и производительность процесса обработки. С ее помощью осуществ­ ляется управление режимами излучения, перемещениями различных элементов лазерной технологической установки (ЛТУ) и прекраще­ ние работы установки в случае возникновения аварийной ситуации, например разрушения элементов оптического тракта. Это - одна из