Лазеры. Лазерные технологии. Учебное пособие

1 – разрядное устройство, 2,3 – соответственно зеркало с отверстием

(полупрозрачное) и «глухое» зеркало, 4 – окна под углом Брюстера, 5 – вакуумный насос, 6 – электрический генератор

Рисунок 2 - Устройство газового лазера Газовый лазер снабжен зеркалами, отражающими в газоразрядную трубку 1 до

95% излучения. Окна Брюстера применяют для более эффективного использования получаемого излучения с целью его поляризации. Когда фотонов становится больше с частотой , чем поглощается, лазер начинает работать.

Рабочим веществом являются пары нейтральных атомов в меди. Генерация осуществляется на длинах волн 578,2 и 510,5 нм. Инверсия создается газовым разрядом. Электроны разряда заселяют резонансный уровень и слабо возбуждают метастабильный уровень. Генерация носит импульсный характер. Длительность импульса излучения может быть короче времени жизни верхнего уровня. Медные лазеры имеют высокий КПД ~ 0,38, что обусловлено относительно низким расположением метастабильного (нижнего лазерного) уровня на шкале энергии.

Азотный и водородный лазеры.

Азотный лазер работает в ультрафиолетовом диапазоне. Наибольшее значение имеет длина волны 337,1 нм. Инверсия создаётся в импульсном электрическом разряде на переходах между относительно высоко расположенными возбужденными электронами молекулы N2. Аналогичен механизм создания инверсии и водородного лазера.

21

Эксимерные (ArF, KrF, KrCl, XeF и др.)

Эксимерные лазеры - газовые лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в

электронно-возбуждённом состоянии, таблица 3).

Нижний уровень лазерного перехода является так называемым «отталкивательным»

(невозбуждённые атомы отталкиваются друг от друга и не образуют молекулу).

Энергия верхнего уровня лазерного перехода (один из атомов X* возбуждён) имеет минимум, соответствующий образованию эксимерной молекулы. При наличии в газе некоторого количества эксимерных молекул, создаваемых накачкой, инверсия населённостей возникает благодаря эффекту опустошения нижнего уровня за счёт разлёта ядер. Быстрое опустошение нижнего уровня обусловливает аномально большую ширину линий усиления эксимерного лазера (~10-2—10-1 эВ).

В эксимерных лазерах используются двухатомные эксимерные молекулы -

короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом (см. табл.). Излучение этих молекул соответствует видимой или

УФ областям спектра. Это объясняет интерес к эксимерным лазерам как к

источникам УФ когерентного излучения. Аномально большая ширина линии усиления открывает возможность перестройки частоты генерации.

Активная среда эксимерных лазеров состоит из инертного газа при атмосферном или несколько большем давлении с возможными малыми добавками галогенсодержащих молекул (давление р<~10-2 атм).

Таблица 3 – Эксимерные молекулы

Продолжение таблица 3

Активная среда эксимерных лазеров состоит из инертного газа при атмосферном или несколько большем давлении с возможными малыми добавками галогенсодержащих молекул (давление р<~10-2 атм). Эксимерные молекулы образуются в результате протекания следующих процессов:

где: R — атом инертного газа, Х2 — молекула галогена (звёздочка означает электронно-возбуждённое состояние).

В силу малых времён жизни активных молекул (~10-8 с), малости λ и большой ширины линии усиления для осуществления генерации требуется создать достаточно высокую концентрацию эксимерных молекул. Это достигается за счёт использования мощных импульсных источников возбуждения – мощных электронных пучков или импульсного поперечного разряда, который обычно для обеспечения объёмной однородности предварительно инициируют маломощным

электронным пучком или фотоионизирующим УФ излучением.

Наиболее эффективны и хорошо изучены эксимерные лазеры на ArF, KrF,

XeF. Выходная энергия этих лазеров при возбуждении электронным пучком или

электрическим разрядом, инициируемым электронным пучком, достигает

нескольких сот Дж при кпд 10% и длительности импульса ~10-8 с. При возбуждении

23

импульсным электрическим разрядом КПД - 1 % , однако возможность реализации импульсного режима с высокой частотой повторений (~104 Гц) делает такой способ возбуждения удобным. Средняя мощность генерации импульсных эксимерных лазеров с газоразрядным возбуждением достигает нескольких десятков Вт. Угловая расходимость излучения при использовании резонатора специальной конструкции достигает дифракционного предела.

Высокая мощность и эффективность эксимерных лазеров, малость длины волны и возможность её перестройки с помощью параметрических генераторов света и других устройств делают их перспективными. Эксимерные лазеры используются для оптической накачки лазеров на красителях. Они перспективны для селективной лазерной фотохимии и лазерного разделения изотопов, а также лазерного термоядерного синтеза.

§ 2.3 Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные

-в 60-х годах XX века [1] .

Вжидкостных лазерах активную среду составляют растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов [2, 3, 9] .

Для жидкостных лазеров применяют непрерывную или импульсную оптическую накачку.

Основные отличия жидкостных лазеров — отсутствие ограничений на форму и объем активного вещества, простота теплоотвода, отсутствие дефектов,

характерных для твердотельных лазеров.

Главное преимущество жидкостных лазеров на основе молекул органических красителей – плавная перестройка частоты излучения в диапазоне, значительно превосходящем диапазоны перестройки других лазеров.

Существуют три основные группы активных сред жидкостных лазеров:

24

-растворы органических красителей (полиментов, ксантенов и др.) в воде,

ацетоне, толуоле и других растворителях;

Интересными особенностями обладают жидкостные лазеры, которые работают на растворах органических красителей. Они работать жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в широком диапазоне. Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра. В жидкостных лазерах на красителях в качестве источника накачки обычно используются твердотельные лазеры. Для некоторых красителей можно использовать накачку от специальных импульсных газосветных ламп, дающих более короткие интенсивные вспышки белого света, чем обычные импульсные лампы

Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах.

В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Лазеры на красителях используют сложные органические красители, такие как родамин 6G, в жидком растворе или суспензии в качестве излучающей среды. Они перестраиваются в широком диапазоне длин волн.

Наиболее распространенным органическим красителем в лазерах является представитель класса ксантенов - родамин 6G. Спектр поглощения этого красителя около 0,1 мкм на половине интенсивности с максимумом на длине волны 0,51 мкм.

Примерно такой же ширины линия излучения с максимумом около 0,58…0,59 мкм.

-растворы неорганических соединений редкоземельных элементов (например,

неодима в растворах оксихлорида фосфата или селена);

-растворы металлоорганических соединений (редкоземельные хелаты).

Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях,

обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности.

25

При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с широким спектром частот.

Рабочее вещество этих лазеров – раствор красителя; длина волны излучения: 390 –

435 нм (Стильбен), 460—515 нм (Кумарин 102), 570—640 нм (Родамин 6G), другие;

источники накачки: импульсные лампа, или лазеры; применение – разделение изотопов, спектроскопия, научные исследования, медицина

Используя резонатор с полосой пропускания на несколько порядков уже линии излучения (дифракционная решетка обеспечивает полосу меньше 10 мкм),

можно плавно перестраивать частоту в полосе 0,5…0,7 мкм. Набор из 10… 12

красителей позволяет перекрыть диапазон 0,3… 1,2 мкм.

§2.4 Полупроводниковые лазеры

Влазерах этого типа активным элементом является полупроводниковый кристалл. Накачка может осуществляться инжекцией электронов в область р-п-

перехода [2, 3, 9].

В полупроводниковых лазерах когерентное излучение генерируется вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.

Полупроводниковые лазеры отличаются от других видов лазеров малыми габаритами, низкой стоимостью, высоким КПД .

Длина волны излучения полупроводникового лазера зависит от материала и структуры активной области. Полупроводниковые нитриды Ga, Al; генерируют в ближний УФ, фиолетовый, синий областях спктра. В красной области спектра и ближнем ИК-диапозонах в качестве рабочего вещества используютмя соединения на основе Al, Ga, As .

Для ближнего и среднего ИК-диапазонов - соединения, содержащие In, P, Sb; для среднего ИК до дальнего ИК-диапазона – соли свинца а полупроводниковые квантово-каскадные лазеры генерирут излучение от среднего ИК до терагерцового диапазонов.

26

Полупроводниковык лазеры широко используются в медициских приборах,

для накачки волоконных и твердотельных лазеров, в волоконно-оптических линий связи и телекоммуникационных ситем, лазерных принтеров, систем записи и считывания информации с компатдисков.

§ 2.5 Волоконные лазеры

Волоконные лазеры, это твердотельные лазеры, в котором активной средой усиления является оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами. Если для легирования применяется неодим, то область излучения таких лазеров лежит в пределах от 780 до 1100 нм [16].

Если для легирования применяется иттербийто область излучения таких лазеров лежит в пределах от 1000 до 1100 нм, если применять для легироваения празеодимто область излучения таких лазеров 1300 нм), эрбий (1460-1640 нм), если тулий -1900-250 нм, гольмий - 2025-2200 нм и диспрозий - 2600-3400 нм. Накачки волоконных лазеров осуществляется полупроводниковыми лазерами.

Благодаря широкому диапазону длин волн, волоконные лазеры идеально подходят для различных применений, таких как лазерная резка, текстурирование,

очистка, гравировка, сверление, маркировка и сварка. Это также позволяет использовать волоконные лазеры в различных отраслях, таких как медицина,

оборона, телекоммуникации, автомобилестроение, спектроскопия, электротехника,

производство и транспорт.

Лазеры на основе кварцевого волокна, легированного иттербием, сегодня излучают мощность 5 кВт в непрерывном режиме. Как правило, волоконные лазеры работают в конфигурации «задающий генератор — мощный волоконный усилитель».

Использование такой схемы становится возможным благодаря очень высокому (до 50…60 дБ) коэффициенту усиления волоконного усилителя мощности. Отечественный иттербиевый импульсный волоконный лазер YLP-

27

1/100/20 работает на длине волны 1,06 мкм, излучая импульсы пиковой мощностью до 10 кВт. Частота повторения импульсов 20… 100 кГц, длительность импульсов

60…120 не. Номинальная энергия импульса 0,5 мДж.

28