33. Виды лазеров Классификация лазеров
Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах[18].
Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Полупроводниковые лазеры — наиболее употребительный в быту вид лазеров[24]. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине (см. фотодинамическая терапия).
Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.
Газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.
Газодинамические лазеры — газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N2+CO2+He или N2+CO2+Н2О, рабочее вещество — CO2).
Эксимерные лазеры — разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.
Химические лазеры — разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.
Лазеры на свободных электронах — лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом полеондулятора, вторых — мощным полем электромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений. Поскольку каждый электрон излучает до 108 фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.
Квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зоной полупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии[35].
Волоконный лазер — лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.
Вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — разновидность диодного полупроводникового лазера, излучающего свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности пластин.
Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).
Газовые лазеры
Рабочее тело |
Длина волны |
Источник накачки |
Применение |
Гелий-неоновый лазер |
632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм) |
Электрический разряд |
Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов. |
Аргоновыйлазер |
488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм) |
Электрический разряд |
Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров. |
Криптоновыйлазер |
416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм |
Электрический разряд |
Научные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу. |
Ксеноновыйлазер |
Множество спектральных линий по всему видимомуспектру и частично в УФ иИК областях. |
Электрический разряд |
Научные исследования. |
Азотный лазер |
337,1 нм (316; 357 нм) |
Электрический разряд |
Накачка лазеров на красителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры. |
Лазер на фтористом водороде |
2,7—2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6—4,2 мкм (фторид дейтерия) |
Химическая реакция горения этилена и трёхфтористого азота (NF3) инициируемая электрическим разрядом (импульсный режим) |
Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей и в импульсном режиме в области терраваттных мощностей. Один из самых мощных лазеров. Лазерные вооружения. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). |
Химический лазер на кислороде и иоде (COIL) |
1,315 мкм |
Химическая реакция в пламенисинглетного кислорода и иода |
Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей. Так же создан и импульсный вариант. Научные исследования, лазерные вооружения. Обработка материалов. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). В перспективе: источник накачки неодимовых лазеров и рентгеновских лазерных систем. |
Углекислотный лазер (CO2) |
10,6 мкм, (9,6 мкм) |
Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд, химическая реакция (DF-CO2 лазер) |
Обработка материалов (резка, сварка), хирургия. |
Лазер на монооксиде углерода (CO) |
2,5—4,2 мкм, 4,8—8,3 мкм |
Электрический разряд; химическая реакция |
Обработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия. |
Эксимерный лазер |
193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF) |
Рекомбинация эксимерных молекул при электрическом разряде |
Ультрафиолетовая литография в полупроводниковой промышленности, лазерная хирургия, коррекция зрения. |
Лазеры на красителях
Лазер на красителях |
390—435 нм (Stilbene), 460—515 нм (Кумарин 102), 570—640 нм (Родамин 6G), другие |
Другой лазер, импульсная лампа. |
Научные исследования, спектроскопия, косметическая хирургия, разделение изотопов. Рабочий диапазон определяется типом красителя. |
Лазеры на пара́х металлов
Гелий-кадмиевый лазер на парах металлов |
440 нм, 325 нм |
Электрический разряд в смеси паров металла и гелия. |
Полиграфия, УФ детекторы валюты, научные исследования. |
Гелий-ртутный лазер на парах металлов |
567 нм, 615 нм |
Электрический разряд в смеси паров металла и гелия. |
Археология, научные исследования, учебные лазеры. |
Гелий-селеновый лазер на парах металлов |
до 24 спектральных полос от красного до УФ |
Электрический разряд в смеси паров металла и гелия. |
Археология, научные исследования, учебные лазеры. |
Лазер на парах меди |
510,6 нм, 578,2 нм |
Электрический разряд |
Дерматология, скоростная фотография, накачка лазеров на красителях. |
Лазер на парах золота |
627 нм |
Электрический разряд |
Археология, медицина. |
Твердотельные лазеры
Рубиновый лазер |
694,3 нм |
Импульсная лампа |
Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазера (1960). |
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием неодимом(Nd:YAG) |
1,064 мкм, (1,32 мкм) |
Импульсная лампа,лазерный диод |
Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров. Один из самых распространённых лазеров высокой мощности. Обычно работает в импульсном режиме (доли наносекунд). Нередко используется в сочетании с удвоителем частоты. Известны конструкции с квазинепрерывным режимом излучения. |
Лазер на фторидеиттрия-лития с легированием неодимом(Nd:YLF) |
1,047 и 1,053 мкм |
Импульсная лампа,лазерный диод |
Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике. |
Лазер на ванадате иттрия(YVO4) с легированиемнеодимом (Nd:YVO) |
1,064 мкм |
Лазерные диоды |
Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике. |
Лазер на неодимовомстекле (Nd:Glass) |
~1,062 мкм (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла) |
Импульсная лампа,Лазерные диоды |
Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты до 351 нм в устройствах лазерной плавки. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Накачка рентгеновских лазеров. |
Титан-сапфировый лазер |
650—1100 нм |
Другой лазер |
Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования. |
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием тулием(Tm:YAG) |
2,0 мкм |
Лазерные диоды |
Лазерные радары |
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием иттербием(Yb:YAG) |
1,03 мкм |
Импульсная лампа,Лазерные диоды |
Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры. |
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием гольмием(Ho:YAG) |
2,1 мкм |
Лазерные диоды |
Медицина |
Церий-легированныйлитий-стронций (иликальций)-алюмо-фторидныйлазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF) |
~280-316 нм |
Лазер Nd:YAG с учетверением частоты,Эксимерный лазер, лазер на парах ртути. |
Исследование атмосферы, лазерные дальномеры, научные разработки. |
Лазер на александрите с легированием хромом |
Настраивается в диапазоне от 700 до 820 нм |
Импульсная лампа,Лазерные диоды. Для непрерывного режима — дуговая ртутная лампа |
Дерматология, лазерные дальномеры. |
Волоконный лазер лазер с легированием эрбием |
1,53-1,56 мкм |
Лазерные диоды |
Оптические усилители в волоконно-оптических линиях связи, обработка металлов (резка, сварка, гравировка), термораскалывание стекла, медицина, косметология. |
Лазеры на фторидекальция, легированномураном (U:CaF2) |
2,5 мкм |
Импульсная лампа |
Первый 4-х уровневый твердотельный лазер, второй работающий тип лазера (после рубинового лазера Маймана), охлаждался жидким гелием, сегодня нигде не используется. |
Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковыйлазерный диод |
Длина волны зависит от материала и структуры активной области: ближний УФ, фиолетовый, синий — полупроводниковые нитриды Ga, Al; красный, ближний ИК-диапазон —- соединения на основе Al, Ga, As; ближний и средний ИК-диапазон —- соединения, содержащие In, P, Sb; средний ИК - дальний ИК-диапазон —- соли свинца; средний ИК - терагерцовый диапазон —- полупроводниковые квантово-каскадные лазеры |
Электрический ток, оптическая накачка |
Телекоммуникации, голография, лазерные целеуказатели, лазерные принтеры, накачка лазеров других типов. AlGaAs-лазеры (алюминий-арсенид-галлиевые), работающие в диапазоне 780 нм используются в проигрывателях компакт-дисков и являются самыми распространёнными в мире. |
Другие типы лазеров
Лазер на свободных электронах |
Длина волны рентгеновского лазера варьируется в диапазоне 0,085-6 нм. |
Пучок релятивистских электронов |
Исследования атмосферы, материаловедение, медицина, противоракетная оборона. |
Псевдо-никелево-самариевыйлазер |
Рентгеновское излучение 17,3 нм |
Излучение в сверхгорячей плазмесамария, создаваемое двойными импульсами лазера нанеодимовом стекле. |
Первый демонстрационный лазер, работающий в области жесткого рентгеновского излучения. Может применяться в микроскопах сверхвысокого разрешения и голографии. Его излучение лежит в «окне прозрачности» воды и позволяет исследовать структуру ДНК, активность вирусов в клетках, действие лекарств. |
Лазер на центрах окраски |
Длина волны 0,8 — 4 микрон. |
Оптическая (лампа вспышка, лазерная) электронов |
Спектроскопия, медицина. |