Вопрос 4. Типы лазеров.

Лазеры можно классифицировать по особенностям активной среды (твердотельные, газовые, на красителях, полупроводниковые, жидкостные), по способу накачки (лазеры с оптической накачкой, газоразрядные, химические и др.), по режиму генерации (импульсного или непрерывного действия) и по другим признакам. Все эти лазеры генерируют излучение оптического диапазона. В последнее время начали разрабатываться волоконно-оптические лазеры, генерирующие излучение в ближнем ИК-диапозоне (до 8 мкм) и предназначенные для волоконно-оптических систем связи.

В сердцевину световода для волоконного лазера вводят (легируют) небольшое количество ионов определенных редкоземельных элементов

неодима Nd³⁺, эрбия Er³⁺, иттербия Yb³⁺, церия Ce³⁺ и празеодима Pr³⁺. Эти ионы отличаются уровнями поглощения и длиной волны флюоресценции, соответствующей окнам прозрачности световода.

Концентрация легирования, необходимая для работы световода в режиме усиления, мала и составляет около нескольких десятков единиц на миллион окружающих атомов.

Световод располагается между двумя отражающими зеркалами и в него вводится излучение лазера с определенной длиной волны, которое переводит редкоземельные ионы в высокоэнергетичные состояния. При возвращении в состояния с более низкими энергиями возбужденные ионы излучают свет с большими длинами волн, чем исходное стимулирующее излучение лазера. Световод в этом случае ведет себя как компактный твердотельный источник лазерного излучения с длинами волн, значительно отличающимися от исходных. Изменение длины волны выходящего излучения можно регулировать изменением длины волны исходного излучения или подбором добавок различных редкоземельных ионов, создающих дополнительные (примесные) энергетические уровни. Такие приборы, использующие световоды из фторидов тяжелых металлов, могут эффективно применяться для генерации инфракрасного лазерного излучения.

Особый тип лазеров представляют собой полупроводниковые лазеры.

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода.

Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. 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 или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка может осуществляется непосредственно электрическим током (прямая накачка), электронным пучком или электромагнитным излучением.

Можно создавать полупроводниковые лазеры с практически любой длиной волны в диапазоне от ближнего УФ до среднего ИК-диапозона. Некоторые лазерные диоды также позволяют перестраивать длину волны излучения.

По своим характеристикам полупроводниковые лазеры являются наиболее важным типом лазеров. Их применение приобрело чрезвычайно широкое распространение, в том числе, в таких разнообразных областях, как оптическая передача данных, оптическая запись информации,

метрология, спектроскопия, обработка материалов, накачка твердотельных лазеров, а также различные виды медицины.

Остановимся несколько подробнее на рентгеновском лазере − источнике когерентного электромагнитного излучения рентгеновского диапазона. Напомним, что рентгеновское излучение занимает спектральную область между ультрафиолетовым и гамма-излучением в пределах длин волн от 10^-7 м до 10^-12 м (или энергий фотонов hν от 10 эВ до нескольких МэВ).

Первый лабораторный рентгеновский лазер был создан в Ливерморской лаборатории им. Э. Лоуренса (США) в 1985 г. Генерация излучения была произведена на серии линий Ne-подобного иона селена в области длин волн (18,2–26,3) нм, наиболее яркая линия имеет длину волны λ = 20,63 нм.

К настоящему времени получено квазикогерентное рентгеновское излучение с длиной волны от нескольких десятков до единиц нанометров: 20,6 нм (Se²⁴+); 18,2 нм (С⁶+); 8,1 нм (F⁸+); 4,6 нм (Al¹¹+). Длительность импульсов генерации рентгеновского лазера варьируется в пределах (0,1-10) нс и определяется, как правило, временем жизни плазменного образования. Максимальная энергия, полученная в импульсе, ~ 10 мДж, угловая расходимость пучка ~ 10 мрад. Сравнение параметров импульса лазера накачки и импульса рентгеновского излучения показывает, что коэффициент преобразования по энергии составляет лишь ~ 10^-5. Сегодня идут поиски дальнейших путей повышения эффективности лазера и материалов мишени.

Однако уже этого достаточно для проведения ряда физических и биологических экспериментов. Рентгеновские лазеры обладают наивысшей импульсной яркостью по сравнению с другими источниками рентгеновского излучения.

Активная среда рентгеновского лазера − высокоионизированная плазма, создаваемая при облучении мишени (например, тонкой фольги из селена и иттрия) мощными лазерами видимого и ИК-диапазонов. Длина плазменного образования составляет примерно (0,5-5) см, а поперечный размер порядка (0,01 - 0,1) см. Плазма создаётся, как правило, фокусировкой излучения импульсного ниодимового лазера, либо СО₂-лазера, имеющих энергию излучения ~1 кДж и длительность импульсов генерации (0,1-10) нс.

Использование ИК-лазера для получения плазмы позволило создать малогабаритную рентгенустановку с низким энергопотреблением. Настольный прибор дает яркий направленный луч рентгеновского излучения с длиной волны в 1000 раз меньшей, чем длина волны видимого света Рентгеновский лазер используется в многочисленных исследованиях по созданию и оптимизации нового поколения электроники, устройств хранения информации, технологий медицинской диагностики и др.

Рентгеновский лазер на свободных электронах.

К 2015 г. должен быть введен в строй новый гигантский рентгеновский XFEL−лазер на базе ускорителя электронов. Аббревиатура XFEL обозначает рентгеновский лазер на свободных электронах (X-ray Free-Electron Laser). При торможении релятивистских электронов в резонаторе часть их энергии излучается в виде рентгеновского излучения с длиной волны в диапазоне

(0,085 – 6) нм.

Временное разрешение на несколько порядков выше, чем у известных на сегодня источников излучения: длительность импульса рентгеновского лазера составляет порядка 100 фемтосекунд (1фс=10^-15 с).

Такое рентгеновское излучение когерентно, что дает возможность регистрации голографических изображений на атомарном уровне.

Гамма-лазер.

Гамма-излучение − коротковолновое электромагнитное излучение в диапозоне длин волн от 10^-11 м до 10^-13 м. При столь коротких волнах волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо. На первый план выступают корпускулярные свойства.

Идея гамма-лазера возникла в связи с появлением оптического лазера и открытием эффекта Мёссбауэра. Открытие безотдачного излучения γ-квантов поставило вопрос о реализации вынужденного излучения системой возбуждённых ядер. Впервые на эту возможность указал Л. А. Ривлин в 1961 г.

Пока генерация вынужденного излучения в γ-диапазоне не осуществлена. В настоящее время проблема создания гамма-лазера на излучательных ядерных переходах активно разрабатывается во многих странах в рамках одного из интенсивно развивающихся направлений современной квантовой нуклеоники – нового раздела физики, распространяющего идеи и методы квантовой электроники атомов и световых фотонов на атомные ядра и гамма-кванты.