− 23 −

кюветы располагаются наклонно к ее оси под углом Брюстера. Лучи света, падающие на поверхность диэлектрика под углом Брюстера и поляризованные в плоскости падения, будут проходить без потерь (не испытывают отражения). Газовый разряд в кювете (трубке) можно зажечь с помощью источника высокого напряжения ИВН (1,5 – 10 кВ) или с помощью высокочастотного генератора. Существуют и другие способы возбуждения активного вещества в газовых лазерах.

Рассмотрим принцип действия гелий-неонового лазера. активным веществом служит плазма газового разряда, полученная в смеси гелия с неоном. Упрощенная схема энергетических уровней и переходов в этом лазере представлена на рис. 15. Его работа основывается на взаимодействии атомов двух газов, имеющих близкие энергетические уровни.

Атомы гелия возбуждаются разрядом до метастабильного состояния 2. Почти совпадающим с ним является состояние 3 неона. При столкновениях возбужденных атомов гелия (в состоянии 2’) с атомами неона последние также возбуждаются и переходят на энергетический уровень 3. Это приводит к инверсной заселенности уровня 3 по сравнению с уровнем 2. Возникает индуцированное когерентное излучения, соответствующее переходу 3 → 2 (λ = 6328 А, красное излучение).

Излучение газового лазера обладает высокой монохроматичностью и когерентностью. Получена ширина спектра излучения газового лазера на смеси гелий – неон около 1 Гц.

Установлено, что в качестве активного вещества в газовых лазерах могут быть использованы и многие другие газы, которые могут дать когерентные излучения на нескольких сотнях различных частот в диапазоне от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного излучения. Созданы мощные газовые лазеры на смеси газов CO2−N2−He, работающие на длине волны 10,6 мкм (инфракрасное излучение). Их мощность излучения достигает 60 кВт в непрерывном режиме при коэффициенте полезного действия до 25% и выше. Энергия импульса излучения при импульсной работе лазера превысила 2000 Дж.

Мощные лазеры с успехом применяются в ряде технологических процессов; например, для сварки, резки, обработки особо твердых и жаростойких материалов.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры имеют большой коэффициент усиления света на единицу длины возбужденного полупроводника и соответственно малые (порядка 0,5 мм) размеры лазерного элемента; высокий КПД (вплоть до 100%); чрезвычайно широкий (примерно от 0,3 до 30 мкм) диапазон излучаемых длин волн. Высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в излучение достигается благодаря тому, что в дан-

Рис. 14. Схема конструкции газового лазера

Рис. 15. Схема энергетических уровней газового лазера

ном случае для накачки лазера используется пропускаемый через полупроводник электрический ток, энергия которого непосредственно преобразуется в когерентное излучение. Это позволяет также достаточно просто управлять излучением (модулировать его) путем изменения интенсивности тока накачки. Наибольшее развитие получили полупроводниковые лазеры на арсениде галлия (GaAs).

Конструктивно полупроводниковый лазер устроен подобно обычному полупроводниковому диоду с p-n – переходом (рис. 16). Он представляет собой монокристалл арсенида галлия, по форме близкий к кубу. p−n – переход расположен вблизи середины кристалла и образует плоскость, перпендикулярную к двум противоположным граням, которые отполированы с высокой степенью точности и за счет большого коэффициента отражения (~30%) образуют зеркала прибора. Две боковые грани скошены под некоторым углом, что препятствует возникновению генерации в направлении,

p-n

переход

Рис. 17. Схема генерации излучения в полупроводниковом лазере

перпендикулярном к этим граням.

Рассмотрим кратко принцип действия полупроводникового лазера (рис. 17). Энергетический спектр полупроводника имеет широкие полосы разрешенных состояний электронов: валентную зону и зону проводимости, разделенные запрещенной зоной. Вследствие введения примесей в полупроводнике n-типа в зоне проводимости имеются свободные электроны проводимости, а в полупроводнике р-типа в валентной зоне имеются «дырки». При соответствующем направлении тока через p-n –переход электроны и дырки перемещаются навстречу друг другу. В области p-n – перехода возникает очень высокая концентрация носителей тока (электронов проводимости и дырок), происходит рекомбинация пар электрондырка. При рекомбинации электрона из зоны проводимости с дыркой из валентной зоны выделяется энергия в виде кванта света-фотона. Фотоны, излучаемые в момент рекомбинации электронов с дырками, будут стиму-

− 26 −

лировать рекомбинацию носителей тока. Возникает индуцированное излучение.

Частота излучения определяется шириной запрещенной зоны Е: hv = E, где h – постоянная Планка. Для возникновения индуцированного излучения (генерации) необходимо, чтобы на p−n – переходе была создана очень высокая плотность тока, порядка нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. При дальнейшем повышении плотности тока происходит увеличение интенсивности излучения лазера.

Мощность излучения полупроводниковых лазеров в импульсном режиме достигает десятков ватт (при длительности импульсов порядка микросекунд), в непрерывном режиме – единиц ватт. Расходимость луча у этих лазеров самая большая (достигает единиц градусов), что объясняется малыми размерами резонатора, образованного гранями кристалла полупроводника.

Полупроводниковые лазеры имеют сравнительно небольшие габаритные размеры и массу, высокий КПД (50 – 70%), длина волны их излучения лежит в пределах от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области спектра. Все это делает полупроводниковые лазеры весьма перспективными источниками излучения оптического диапазона.

Области возможных научных и технических применений лазеров (оптических квантовых генераторов) все более расширяются. Лазеры находят широкое применение прежде всего для следующих целей:

1)для передачи информации (многоканальная связь, телевидение, телеуправление);

2)обработки тугоплавких материалов (сверления, резки, сварки);

3)создания быстродействующих вычислительных машин, способных перерабатывать большие объемы информации;

4)создания новых технологических процессов в химических производствах.

В настоящее время уже имеются дальномеры на основе лазеров, например, измеряющие расстояния порядка 30 км с точностью ~ 2 см, лазерные визиры, приборы для сверления и резки тончайших отверстий в алмазах, рубинах, сверхтвердых сплавах и других веществах. Во многих странах началось производство различных станков с программным управлением при помощи газовых лазеров непрерывного излучения. Расширяется применение лазеров в медицине, навигации, фотографии и др.

Контрольные вопросы и задания по лазерам

1.Чем отличается индуцированное излучение от спонтанного ?

2.Опишите принцип действия и конструкцию трехуровнего лазера (на примере лазера на рубине).

3.Опишите схему уровней и переходов в газовом лазере на смеси гелий –