Устройство и принцип работы лазеров

Основными отличительными чертами лазерного излучения являются монохроматичность, когерентность и лучевая направленность. Чтобы представить, насколько лазерное излучение «монохроматичнее» светодиодного (которое представляется тоже одноцветным), можно сопоставить степень монохроматичности того и другого вида источников, которая оценивается отношением ширины полосы спектра излучения к длине волны максимума спектральной характеристики. Для светодиодов степень монохроматичности оценивается величинами порядка 0,05 - 0,1, а для лазеров - менее 0,000001 . То есть длину волны лазерного излучения определяют с точностью до третьего-четвертого знака после запятой, иначе говоря, лазер излучает практически строго на одной длине волны.

Лазер является источником излучения, у которого принцип действия и параметры излучаемого потока коренным образом отличаются от характеристик всех предшествующих источников, так что иногда их в оптоэлектронике называют «долазерными излучателями» . Лазерное излучение относится к виду индуцированного излучения, предсказанного А. Эйнштейном в 1917 г. и реализованного в первых лазерах (1954 г.). В настоящее время основными видами лазеров являются газовые (на углекислом газе, гелий-неоновые, аргоновые), жидкостные (к жидкостным относятся и лазеры на стекле, которое аморфно, как и жидкости, поэтому считается переохлажденной жидкостью), твердотельные (на рубине, гранате, неодиме) и полупроводниковые (на кристаллах полупроводниковых материалов, например GaAs).

Рисунок 5.4 Виды лазеров

Схемы устройства твердотельных, газовых и полупроводниковых лазеров приведены на рис. 5.4, а технические характеристики некоторых из них - в таблице 5.3 .

Таблица 5.3 Параметры некоторых отечественных лазеров

Марка лазера и его вид	Активное вещество	Длина волны излучения, мкм	Мощность (энергия) излучения	Режим работы	Расходи-мость луча	Потребляемая мощность, Вт
ЛГН-222 (газ.)	He–Ne	0,6328	55,0 мВт	Непрер.	1,7 мин	200 В
Сигнал (газ.)	Ar	0,3371	1000 Вт	Импул.	Сведений нет	500 В
Прометей (газ.)	CO–N–He	10,6	50 Вт	Непрер.	Сведений нет	2000 В
ГОР-0,2 (тверд.)	Рубин	0,6943	0,2 Дж	Импул.	20 мин	60 В
ГОС-30М (т/ж)	Стекло+Nd	1,0600	30 Дж	Непрер.	10 мин	1200 В
Н2А2 (полупр.)	Ga–As	0,85	3,0/0,1 Вт	Импул. непрер.	15ґ20°	Сведений нет
ПKГ (полупр.)	Ga–As	0,85	4,0 Вт	Импул.	20ґ20°	Сведений нет

Лазерное излучение физически зарождается там, где в атомах или молекулах активного вещества под действием внешних сил (света, электрического поля и т.п.) образуется «перенаселенность» верхних энергетических слоев внешних электронных оболочек (зоны проводимости) возбужденными электронами, что приводит к активному образованию фотонов при естественном стремлении электронов перейти в нормальное, невозбужденное состояние (т.е. при переходе в валентную зону). Таким образом, в активном веществе (газовой среде, кристалле, полупроводнике) возникает постоянно пополняющееся множество квантов света - фотонов, колеблющихся, что важно отметить, с одной частотой, поскольку в однородном веществе при преодолении электроном запрещенной зоны выделяется одинаковое количество энергии.

Наличие колебаний одной и той же частоты является условием (не единственным) получения когерентного излучения. Следующая задача - добиться однонаправленного распространения этих колебаний. Это достигается с помощью использования резонаторов (как правило, резонаторов Фабри - Перо).

Резонатор Фабри - Перо представляет собой два соосных, параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркала, между которыми, отражаясь от этих зеркал, перемещаются в активной среде фотоны, генерируемые внешним возбуждением. Направление движения каждого из фотонов, при их появлении, определяется случайным образом и непредсказуемо. Вследствие этого многие фотоны бесполезно покидают активную среду, образуя вокруг нее свечение (в лучшем случае, какой-либо электрон, «захватив» энергию такого фотона, переходит в зону проводимости). Лишь те из фотонов, направление движения которых оказалось параллельным оси резонатора, остаются в активной среде и участвуют в образовании лазерного излучения. Эти фотоны, отражаясь десятки и сотни раз от зеркал резонатора, пробегают вдоль активной среды, способствуя генерации новых фотонов.

Суть теоретически открытого Альбертом Эйнштейном индуцированного (вынужденного) излучения заключается в том, что в условиях «перенаселенности» верхних энергетических уровней пролетающие мимо фотоны могут «сбивать» возбужденные электроны с этих уровней на нижние, сохраняясь при этом сами. «Сбитый» электрон порождает новый фотон; таким образом, вместо одного фотона появляется два, что и способствует нарастанию светового потока. Это нарастание числа фотонов - важное обстоятельство в зарождении лазерного излучения.

Чем больше зарождается фотонов, тем большее их количество остается в пространстве резонатора, участвуя в накоплении световой энергии. Расстояние между зеркалами подбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемого лазером излучения укладывалась в нем целое число раз. Таким образом, резонатор решает две важные задачи: организует однонаправленное движение фотонов вдоль оси лазера и селектирует совпадающие по длине волны и фазе колебания (остальные затухают в процессе постоянного наложения волн друг на друга). Так возникает когерентное излучение. Схемы сложения когерентных колебаний приведены на рисунке 5.5.

 

Рисунок 5.5 Схемы сложения когерентных колебаний

Одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным (в случае непрерывного излучения), либо (и) у выходного окна лазера устанавливается оптический затвор. При наличии затвора лазер может накапливать световую энергию, чтобы затем выпустить ее одномоментно в виде мощного импульса света - импульсные лазеры дают лазерный луч, намного превышающий по мощности непрерывное излучение. В противном случае после накопления световой энергии, достаточной для преодоления непрозрачности зеркала, лазер начинает излучать свет, набирая мощность в луче до уровня насыщения в установившемся процессе работы.

Таким образом, лазерное устройство должно содержать активное вещество (в котором зарождается излучение), резонатор и источник возбуждения активного вещества. Для газовых лазеров таким источником возбуждения служит газоразрядная трубка, для твердотельных - мощный источник света (импульсная лампа, освещающая стержень кристалла), для полупроводниковых - прямой электрический ток через р-n-переход полупроводника. Каждый из этих источников приводит электроны атомов и молекул активного вещества в возбужденное состояние (на языке лазерщиков это называется «накачкой»).

Направленность излучения (расходимость луча) напрямую зависит от протяженности тела активного вещества (расстояния между зеркалами резонатора). Чем больше это расстояние, тем меньше угол расходимости и, следовательно, тем более узконаправленным является лазерный луч. Длина газоразрядной трубки газового лазера составляет, как правило, десятки сантиметров (нередко и более метра), что позволяет получить луч с расходимостью в несколько угловых минут. Современные технологии выращивания кристаллов позволяют получать стержни диной 250-400 мм, что дает возможность достигать в твердотельных лазерах расходимости луча в десятки угловых минут. В полупроводниковых же лазерах используются кристаллы размером 0,5*0,5 мм (и менее), поэтому расходимость луча, а точнее полоски излучения, намного больше - 20-30 угловых градусов.

Полупроводниковый лазер в чем-то похож на излучающий диод (часто его и называют лазерным диодом). Обладая привычной диодной структурой, при небольших прямых токах он и работает как обычный излучающий диод. Но две противоположные грани кристалла делаются зеркально отражающими (резонатор Фабри - Перо), и при увеличении прямого тока до определенного порогового значения (ранее для этого требовались десятки ампер и, как следствие, серьезные меры по охлаждению), когда создается «инверсия населенностей» (превышение числа возбужденных электронов над невозбужденными на внешних электронных оболочках атомов и молекул), появляется настоящее когерентное лазерное излучение.

Каждый вид лазера имеет свои достоинства и соответственно сферу применения. Газовые лазеры, обладая наибольшей мощностью излучения, применяются из-за больших размеров в стационарном крупногабаритном оборудовании. Твердотельные лазеры довольно компактны и применяются в устройствах среднего размера. Лазерные диоды используются в записывающих головках лазерных принтеров, цифровых печатных машин, а также в оптических линиях связи.

⇐ Предыдущая25262728293031323334Следующая ⇒

Поделиться: