10.2. Типы оптических квантовых генераторов
Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы: 1) рабочее тело, состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия заселенностей; 2) систему, позволяющую осуществлять инверсию (ее обычно называют системой накачки); 3) оптический резонатор; 4) устройство для вывода энергии из резонатора; 5) систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света; 6) различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.
Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки: а) оптическую – за счет облучения вещества мощным световым потоком; б) электрическую, осуществляемую при прохождении через вещество электрического тока; в) химическую, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество, и т. д.
Рис. 10.4. Принципиальные схемы твердотельных лазеров:
а – с рубиновым стержнем; б – полупроводникового
В зависимости от режима работы ОКГ различают устройства, работающие в непрерывном и импульсно - периодическом режимах.
Существующие лазеры по роду материалов, используемых для получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре основных типа: твердотельные с оптическим возбуждением, полупроводниковые (инжекционные), жидкостные и газовые (рис. 10.4).
1. Лазеры твердотельные с оптической накачкой. В лазерах этого типа излучателем - активным элементом - является твердое тело.
Материалом матрицы служат кристаллы щелочно – земельных фторидов, вольфрамитов или молибдатов, синтетического рубина, иттриево – алюминиевые гранаты, стекла различных составов. Активирующими примесями являются различные редкоземельные элементы, а также хром и уран.
Принципиальная схема твердотельного оптического квантового генератора показана на рис. 10.4.а. Стержень 2, изготовленный из рабочего вещества, помещен между двумя зеркалами 1, 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 является полупрозрачным. Для накачки энергии используется газоразрядная лампа – вспышка 6, которая для большей эффективности облучения кристалла помещена вместе с ним внутрь отражающего кожуха 4 с поперечным сечением в форме эллипса. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы – вспышки осуществляется от импульсного высоковольтного источника 5.
Длительность импульса твердотельных ОКГ определяется индуктивностью, включаемой в цепь конденсаторной батареи, и обычно колеблется в пределах 0,1-10 мс.
КПД твердотельных лазеров относительно невысок, поскольку значительная часть подводимой к лампе накачки энергии превращается в теплоту.
Лазерное излучение на поверхности обрабатываемой детали фокусируется с помощью сферической или цилиндрической оптики. В первом случае луч фокусируется а точку, во втором – в линию, длина которой определяется поперечным сечением луча генератора.
2. Твердотельные полупроводниковые лазеры. Лазеры этого типа отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего свет вещества в них используется кусочек полупроводника.
Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким преобразованием электрической энергии в когерентное излучение (до 100 %) и могут работать в непрерывном режиме. В полупроводниковых ОКГ, работающих при температуре жидкого азота, достигается мощность порядка 100 Вт, а при температуре жидкого гелия – до 10 Вт. Наиболее перспективны инжекционные лазеры на гетеропереходах. Они могут работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.
3. Жидкостные лазеры. Их преимущество – возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения, что позволяет получать большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах. Созданы лазеры на основе растворов редкоземельных ионов в ряде неорганических жидкостей, а также лазеры непрерывного и импульсного действия, у которых в качестве активной среды используются растворы органических красителей.
4. Газовые лазеры. Принципиальное устройство лазеров этого типа гораздо проще уже рассмотренных. Стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В ее торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания. В трубке возбуждается газовый разряд. Для газовых лазеров подбирают специальные активные смеси, атомы или молекулы которых могут некоторое время находиться в метастабильном состоянии. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают меньшей плотностью и более высокой однородностью, что не вызывает искажения светового луча, его рассеяния и потерь энергии. В результате направленность лазерного излучения в газах резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией. В качестве активных газов в ОКГ применяют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с добавкой азота и гелия. Газовые ОКГ подразделяют на три большие группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.