2.4. Разновидности лазеров

Газовые лазеры.

Газовые лазеры находят применение в оптоэлектроннке прежде всего потому, что они обладают высокой степенью когерентности излучения — относительное изменение длины волны излу­чения Δλ /λ_max у этих приборов лежит в диапазоне10^-6—10^-9, в то время как у других типов лазеров оно не менее 10^-4. Малое значение Δλ обусловлено слабым взаимодействием атомов и молекул в столь разреженном активном веществе, каким является газ. Коэффициент квантового усиления k в разреженных газах мал. Это приводит к тому, что для эффективного усиления излучения газовый лазер дол­жен иметь большие линейные размеры. С другой стороны, увеличение линейного размера позволяет получить малую расходимость излучения Θ, при длине резонатора не менее десятков сантиметров в соответст­вии с выражением можно получить Θ <0,01°. Для других типов лазеров Θ >1°.

Таким образом, там, где необходимы высокие когерентность и на­правленность излучения, применение газовых лазеров становится пред­почтительным. Например, газовые лазеры в настоящее время незаме­нимы при передаче большого объема информации в системах лазерной оптической связи,

Рассмотрим принцип действия газового лазера на примере газо­разрядного лазера.

Газоразрядные лазеры рабо­тают на разреженных газовых средах (давление газа составляет примерно 100—1000 МПа). Ак­тивной средой газоразрядного ла­зера является образующаяся при возникновении электрического разряда газоразрядная плазма. Используются два типа разрядов; дуговой и тлеющий

Некоторые параметры дугового и тлеющего разрядов приведены в табл.

Таблица

Разряд	Рабочее, напряже­ние, В	Плотность тока, А/см'	Температура разряда. К	Концентрация электронов, см"»	Относительная ионизация, %
Дуговой Тлеющий	10—100 103	102- 103 10 –3 –10-1	103 3.102	1013 10 9-1011	1 10 –2

Из приведенного сравнения видно, что дуговой разряд—это силь­ноточный высокотемпературный разряд с высокой степенью ионизации плазмы; тлеющий разряд — слаботочный, низкотемпературный, с низкой степенью ионизации плазмы.

В качестве примера лазера дугового разряда рассмотрим аргоновый лазер.

Конструкция такого лазера представлена на рис. 11:

Рис. 11. Конструкция газового лазера дугового раз­ряда

1 — анод; 2 — катод; 3—активная среда; 4—водяное охлаждение; 5— обводной канал; 6—зеркала резонатора (полностью отражающее и выходное); 7—выходные окна газоразрядной трубки.

Обводной канал обеспечивает выравнивание давления по длине трубки: в отсутствие такого канала газ накапливается в анодной части трубки вскоре после включения дугового разряда. Такого типа лазеры относительно дороги и громоздки.

Наиболее распространенным типом газоразрядного лазера является гелий-неоновый. Он работает на тлеющем разряде. Разряд вызывает возбуждение атомов гелия, которые при соударении передают энергию атомам неона, имеющим точно такие же уровни возбуждения. Энерге­тический спектр атомов неона обеспечивает генерацию когерентного излучения с длиной волны 0,633 мкм.

Основным элементом такого лазера является стеклянная или кварцевая трубка, заполненная гелий-неоновой смесью. Трубка диаметром в несколько миллиметров и более и длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров откачивается и наполняется смесью газов. Внутри трубки имеются электроды , к которым подводится электрическое напряжение, возбуждающее и поддерживающее разряд в газе.Торцы трубки закрываются плоскими стеклянными или кварцевыми пластинками . Коэффициент отражения от плоской пластинки зависит как от угла падения, так и от поляризации излучения. Если плоскость поляризации совпадает с плоскостью падения излучения на пластинку, то при некотором определенном угле (так называемом угле Брюстера) излучение пройдет через пластинку целиком, не отражаясь.

Большие габариты, наличие газонаполненного объема, высоковольт­ное питание, низкий КПД, сложность устройства возбуждения обуслов­ливают практическую непригодность газовых лазеров для микрооптоэлектроники.

В то же время там, где необходимы высокая когерент­ность и направленность излучения, а требования к массам и габаритам невысоки, использование газовых лазеров является не только полезным. но и часто неизбежным.

Твердотельные лазеры.

Твердотельные лазеры в качестве активной среды содержат кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции. Для малогабаритных оптоэлектронных устройств, совместимых с микроэлектронными устройствами, основ­ным видом твердотельного лазера является лазер на иттриево-алюминиевом гранате (Y₃Al₅O₁₂), в кристаллической решетке которого часть атомов иттрия замещена ионами неодима (Nd⁺⁺⁺). Эти кристаллы обладают высокой прочностью и теплопроводностью, однородностью оптико-физических параметров. Для создания когерентного излучения используется-оптическая накачка.

Конструктивно твердотельный лазер содержит стержень активного вещества с отполираванными зеркальными торцами (оптический резо­натор) освещаемый лампой-вспышкой или лампой непрерывного горе­ния, и светособирающую систему, которая обеспечивает равномерную освещенность поверхности стержня и минимальный его нагрев.

Благодаря высокой концентрации активных центров энергия коге­рентного излучения твердотельных лазеров оказывается в десятки раз больше, чем у других типов лазеров. Оптическая накачка дает более высокое значение КПД, чем газовый разряд. Высоки эксплуатационные характеристики твердотельных лазеров: температурная и радиационная стойкость, механическая прочность.

Недостатки твердотельных лазеров связаны прежде всего с необхо­димостью оптической накачки. Двойное преобразование энергии (элек­тричество – свет - лазерное излучение) не позволяет получить высокий КПД. Современные элементы системы оптической накачки имеют низ­кую долговечность, что снижает надежность лазера в целом. Принцип накачки твердотельного лазера не позволяет осуществлять внутреннюю модуляцию выходного лазерного излучения.

Рис. 12. Конструкция твердотельного лазера с ИК накачкой

1—стержень актив­ного вещества; 2—ИК-диод; 3—оптическая среда; 4—теплоотвод; 5—фиксирующая оправка.

Переход в системе накачки от осветитель­ной лампы к ИК-диоду позволил существенно уменьшить габариты и повысить КПД. Обычно используются GaAlAs ИК-диоды, на 0,81 мкм, что совпадает с резонансной полосой поглощения лазера. Совпадение частот излучения ИК-диода и резонанса лазера при накачке и приводит к повышению КПД (лампы накаливания имеют размытый спектр излучения, и условие резонанса выполняется лишь для части этого спектра).