Газоразрядната тръба е поставена в оптичен резонатор, който е оформен от огледала с интерферентно покритие. Огледалата са фиксирани във фланци, чиято конструкция позволява огледалата да се въртят в две взаимно перпендикулярни равнини по време на настройка чрез завъртане на регулиращите винтове. Газовата смес се възбужда чрез прилагане на високочестотно напрежение от захранването към електродите. Захранването е високочестотен генератор, който генерира електромагнитни трептения с честота 30 MHz, използвайки няколко десетки вата.

Захранването с газов лазер е широко разпространено DCпри напрежение 1000...2000 V, получено с помощта на стабилизирани токоизправители. В този случай газоразрядната тръба има нагрят и студен катод и анод. За запалване на разряд в тръбата се използва електрод, към който се прилага импулсно напрежение около 12 kV. това напрежение се получава чрез разреждане на кондензатор с капацитет 1...2 μF през първичната намотка на импулсен трансформатор.

Предимствата на хелиево-неоновите лазери са кохерентността на излъчването им, ниската консумация на енергия (8...10 W) и малките размери. Основните недостатъци са ниската ефективност (0,01...0,1%) и ниската изходна мощност, не повече от 60 mW. Тези лазери могат да работят в импулсен режим, ако за възбуждане се използва високоамплитудно импулсно напрежение с продължителност няколко микросекунди. Основни области практическо приложениехелиево-неонови лазери – научни изследванияи измервателна техника.

От йонните лазери най-широко използван е аргоновият лазер с непрекъсната вълна с дължина на вълната 0,48 микрона. Аргоновите йони се образуват в клетката в резултат на йонизация на неутрални Ag II атоми от ток висока плътност(~10 3 A/cm 3).

Инверсия на населението в такъв лазер между горната (4 стр) и по-ниски (4s) работни нива се създават по този начин. Ниво 4 стр, което има по-дълъг живот в сравнение с ниво 4s, се заселват от аргонови йони поради сблъсъци с бързи електрони в газов разряд поради преходи на възбудени йони от групата нива, разположени над 5 стр. В същото време ниво 5 п,притежаващ много кратко времеживот, бързо се изчерпва поради връщането на йони в основно състояние. Тъй като има 5 нива стр, 5s, 4 стрсе състоят от групи от поднива, генерирането може да се случи едновременно при няколко дължини на вълната: от 0,45 до 0,515.

В момента аргоновите йонни лазери са най-мощните източници на непрекъснато кохерентно лъчение в ултравиолетовия и видимия спектрален диапазон. Широкото използване на мощни аргонови лазери се възпрепятства от тяхната висока цена, сложност, ниска ефективност (~0,1%) и висока консумация на енергия (3...5 kW).

КРАТЪК ИСТОРИЧЕСКИ ПРЕГЛЕД

Първите изчисления относно възможността за създаване на лазери и първите патенти са свързани главно с газови лазери, тъй като веригите енергийни ниваи условията на възбуждане в този случай са по-разбираеми, отколкото за веществата в твърдо състояние. Рубинният лазер обаче е открит първи, въпреки че скоро след това е създаден и газов лазер. В края на 1960 г. Javan, Bennett и Herriott създадоха хелиево-неонов лазер, работещ в инфрачервената област на няколко линии в района на 1 микрон. През следващите две години хелиево-неоновият лазер беше подобрен и бяха открити други газови лазери, работещи в инфрачервения диапазон, включително лазери, използващи други благородни газове и атомарен кислород. Въпреки това, най-големият интерес към газовите лазери беше причинен от откритието за генериране на хелиево-неонов лазер на червената линия 6328 A при условия, които се различаваха само малко от условията, при които беше получено генериране в първия газов лазер. Получаването на генерация във видимата област на спектъра стимулира интереса не само към търсенето на допълнителни преходи от този тип, но и към лазерните приложения, тъй като бяха открити много нови и неочаквани явления и лазерният лъч получи нови приложения като лабораторен инструмент. Двете години, последвали откриването на генерация на линия 6328 A, бяха изпълнени със събития голям бройтехнически подобрения, насочени основно към постигане на по-голяма мощност и по-голяма компактност на този вид лазер. Междувременно търсенето на нови дължини на вълните продължи и бяха открити много инфрачервени и няколко нови прехода във видимата област на спектъра. Най-важното от тях е откритието на Матиас за импулсни лазерни преходи в молекулярен азот и въглероден окис.

Следващият най-много важен етапРазвитието на лазерите очевидно се дължи на откритието на Бел в края на 1963 г. лазер, работещ с живачни йони. Въпреки че самият живачен йонен лазер не оправда първоначалните надежди да произведе високи CW мощности в червените и зелените области на спектъра, това откритие посочи нови режими на разреждане, при които могат да бъдат открити лазерни преходи във видимата област на спектъра. Търсения за такива преходи също бяха извършени сред други йони. Скоро беше открито, че аргоновите йони са най-добрият източниклазерни преходи с висока мощност във видимата област и че от тях може да се получи генерация в непрекъснат режим. Допълнителни подобрения в аргоновия лазер с непрекъсната вълна доведоха до възможно най-високата мощност във видимата област. В резултат на търсенето е открита генерация при 200 йонни прехода, концентрирани главно във видимата, а също и в ултравиолетовата част на спектъра. Подобни издирвания очевидно още не са приключили; в списания по приложна физика и в технически списаниячесто се появяват съобщения за генериране на нови дължини на вълните,

Междувременно техническите подобрения в лазерите се разширяват бързо, елиминирайки голяма част от магическите трикове на ранните проекти на хелиево-неонови и други газови лазери. Изследванията на Бенет върху такива лазери продължиха, докато не беше създаден хелиево-неонов лазер, който можеше да се монтира на обикновена маса с пълна увереност, че лазерът ще работи според очакванията, когато е проектиран. Аргоновият йонен лазер също не е изследван; въпреки това голям брой оригинални произведения на Гордън Бриджис позволяват да се предвидят в разумни граници възможните параметри на такъв лазер.

Навсякъде миналата годинасе появи число интересни произведениявърху газовите лазери, но е твърде рано да се определи относителната им стойност. За всеобща изненада, най-важното постижение беше откритието на Пател за генериране на стимулирани емисии в CO2 в лентата 1,6 μ с висока ефективност. Изходната мощност на тези лазери може да бъде увеличена до стотици вата, което обещава да отвори изцяло нова област на лазерни приложения.
Списък на използваната литература:

Енциклопедичен речникмлад физик (главен редактор Мигдал А.Б.)

Москва "Педагогика" 1991 г

Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев “Физика 11”

Москва "Просвещение" 1993 г

О. Ф. Кабардин “Физика” Москва “Просвещение” 1988 г

“Газови лазери” (ред. Н. Н. Соболев) Москва “Мир” 1968 г

“Основи на лазерната технология” Байбородин Ю. В. 2-ро изд., К.: 1988 г., 383 с.

Инверсията на населението в лазерите се създава по различни начини. Най-често светлинно облъчване (оптично изпомпване), електрически разряд, електрически ток, химични реакции.

За да премине от режим на усилване към режим на генериране на светлина, лазерът, както във всеки генератор, използва обратна връзка. Обратната връзка в лазера се осъществява с помощта на оптичен резонатор, който в най-простия случай е двойка успоредни огледала.

Схематичната диаграма на лазера е показана на фиг. 6. Съдържа активен елемент, резонатор и източник на помпа.

Лазерът работи по следния начин. Първо, източник на помпа (например мощна флаш лампа), действайки върху работното вещество (активен елемент) на лазера, създава инверсия на населението в него. Тогава обърнатата среда започва спонтанно да излъчва светлинни кванти. Под въздействието на спонтанното излъчване започва процесът на стимулирано излъчване на светлина. Поради инверсията на населението този процес има лавинообразен характер и води до експоненциално усилване на светлината. Потоци от светлина, движещи се в странични посоки, бързо напускат активния елемент, без да имат време да получат значителна енергия. В същото време светлинната вълна, разпространяваща се по оста на резонатора, многократно преминава през активния елемент, като непрекъснато набира енергия. Благодарение на частичното пропускане на светлина от едно от огледалата на резонатора, радиацията се извежда навън, образувайки лазерен лъч.

Фиг.6. Принципна схема на лазера. 1- активен елемент; 2- помпена система;

3- оптичен резонатор; 4 - генерирана радиация.

§5. Проектиране и работа на хелиево-неонов лазер

Фиг.7. Принципна схема на хелиево-неонов лазер.

1). Лазерът се състои от газоразрядна тръба Т с дължина от няколко десетки cm до 1,5-2 m и вътрешен диаметър 7-10 mm. Тръбата е пълна със смес от хелий (налягане ~1 mm Hg) и неон (налягане ~0,1 mm Hg). Краищата на тръбата са затворени с плоскопаралелни стъклени или кварцови пластини P1 и P2, монтирани под ъгъл на Брюстър спрямо нейната ос. Това създава линейна поляризация на лазерното лъчение с електрически вектор, успореден на равнината на падане. Огледалата S 1 и S 2, между които е поставена тръбата, обикновено са направени сферични с многослойни диелектрични покрития. Те имат висока отразяваща способност и практически не абсорбират светлина. Коефициентът на пропускане на огледалото, през което излиза предимно лазерното лъчение, обикновено е 2%, другото - по-малко от 1%. Между тръбните електроди се прилага постоянно напрежение от 1-2 kV. Катодът K на тръбата може да бъде студен, но за увеличаване на разрядния ток се използват и тръби с кух цилиндричен анод, чийто катод се нагрява от източник на ток с ниско напрежение. Разрядният ток в тръбата е няколко десетки милиампера. Лазерът генерира червена светлина с дължина на вълната =632,8 nm и може също така да генерира инфрачервено лъчение с дължини на вълните 1,15 и 3,39 микрона (виж Фиг. 2). Но тогава е необходимо да има крайни прозорци, които са прозрачни за инфрачервена светлина и огледала с висока отразяваща способност в инфрачервената област.

2). Лазерите използват стимулирано излъчване, за да генерират кохерентни светлинни вълни. Идеята за това е изразена за първи път през 1957 г. от A.M. Прохоров, Н.Г. Басов и, независимо от тях, C. Towns. до активно веществопревърне лазера в генератор на светлинни вибрации, е необходимо да се извърши обратна връзка. Това означава, че част от излъчената светлина трябва постоянно да се връща в зоната на активното вещество и да предизвиква стимулирано излъчване на нови и нови атоми. За да направите това, активното вещество се поставя между две огледала S 1 и S 2 (виж фиг. 7), които са елементи за обратна връзка. Лъч светлина, подложен на многократни отражения от огледала S 1 и S 2, ще премине многократно през активното вещество, докато се усилва в резултат на принудителни преходи от най-високото енергийно ниво " 3 към по-високо. ниско ниво " 1. Получава се отворен резонатор, в който огледалата осигуряват многократно преминаване (а с това и усилване) на светлинния поток в активната среда. В реалния лазер част от светлината, за да бъде използвана, трябва да бъде освободена от активната среда навън За тази цел едно от огледала, например S 2, се прави полупрозрачно.

Такъв резонатор не само ще усили светлината, но и ще я колимира и монохроматизира. За простота, първо приемаме, че огледалата S 1 и S 2 са идеални. Тогава лъчите, успоредни на оста на цилиндъра, ще преминават през активното вещество напред-назад неограничен брой пъти. Въпреки това, лъчите, движещи се под наклон, в крайна сметка ще ударят страничната стена на цилиндъра, където ще бъдат разпръснати или ще излязат. Следователно е ясно, че лъчите, които се разпространяват успоредно на оста на цилиндъра, ще бъдат максимално усилени. Това обяснява колимацията на лъчите. Разбира се, невъзможно е да се получат строго успоредни лъчи. Това се предотвратява чрез дифракция на светлината. Ъгълът на отклонение на лъчите по принцип не може да бъде по-малък от границата на дифракция  г, Къде г- ширина на лъча. При най-добрите газови лазери обаче тази граница е почти достигната.

Нека сега обясним как възниква монохроматизацията на светлината. Нека З- дължина на оптичния път между огледалата. Ако 2 З= м, тоест по дължината ЗАко се побере цял брой полувълни m, тогава светлинната вълна, напускаща S 1, след преминаване напред и назад, ще се върне към S 1 в същата фаза. Такава вълна ще се засили по време на второто и всички следващи преминавания през активното вещество в права и обратна посока. Най-близката дължина на вълната  , за които трябва да настъпи същото подобрение, може да се намери от условието 2 З=(м1)( ). следователно  = / м, т.е  , както може да се очаква, съвпада със спектралната област на интерферометрите на Фабри-Перо. Нека сега вземем предвид, че енергийните нива " 3 и  " 1 и спектралните линии, възникващи при преходи между тях, не са безкрайно тънки, а имат крайна ширина. Да приемем, че ширината на спектралната линия, излъчвана от атомите, е по-малка от диспергираната област на устройството. След това, от всички дължини на вълните, излъчвани от атомите, условието 2 З= мможе да задоволи само една дължина на вълната . Такава вълна ще се засили максимално. Това води до стесняване на генерираните от лазера спектрални линии, тоест до монохроматизация на светлината.

Основни свойства на лазерния светлинен лъч:

    едноцветен;

    пространствена и времева съгласуваност;

    висока интензивност;

    разминаване на късите светлини.

Благодарение на високата си кохерентност, хелиево-неоновият лазер служи като отличен източник на непрекъснато монохроматично лъчение за изследване на всички видове интерференция и дифракционни явления, чието прилагане с конвенционални източници на светлина изисква използването на специално оборудване.

Йонни лазери

Йонните лазери са вид газови лазери, при които горното ниво се запълва от два последователни сблъсъка с електрони в електрически разряд (йонизация + възбуждане). Йонните енергии надвишават атомните, така че йонните лазери генерират във видимата и UV област на спектъра.

Поради високата плътност на тока в газоразрядната тръба, йони могат да бъдат изпомпвани към катода, така че е необходим допълнителен байпас. За да се предотврати разрушаването на тръбата при бомбардиране от бързи йони, тя е изработена от керамика и е поставена в надлъжно магнитно поле, създадено от соленоид. Радиално движещите се заредени частици изпитват отклоняващия ефект на силата на Лоренц; в резултат на това техните траектории са извити, намалявайки скоростта на дифузия на зарядите към стените. Пример е аргонов лазер, генериращ във видимата област на линиите l 1 = 488 im (синьо) и l 2 = 514,5 im (зелено).

При проектиране на предавателни устройства оптични системиКомуникационният инженер неизбежно е изправен пред необходимостта да избере източник на радиация - оптичен квантов генератор. Изборът на генератор зависи от конкретните условия на използване на комуникационната система: нейното местоположение (наземно или космическо, мобилни или стационарни варианти), спектрален диапазон на работа, импулсен или непрекъснат режим, необходима изходна мощност, необходима дивергенция на лъча и стабилност на честотата, ефективност на предавателя, живот на генератора и експлоатационен живот на системата, видове модулация и приемане, необходимостта да се вземе предвид атмосферата и т.н. Всеки от тези фактори трябва да бъде взет под внимание. От най-общи съображения могат да се дадат следните препоръки: .

Газовите лазери имат висока монохроматичност и стабилност на честотата, както и малък ъгъл на отклонение на лъча; те могат да работят както в непрекъснат, така и в импулсен режим при висока честота на повторение. Недостатъците на газовите лазери са ниската ефективност (с изключение на въглеродните лазери) и относително големите размери. Твърдотелните лазери се характеризират с висока импулсна мощност и възможност за получаване на импулси с много кратка продължителност. Въпреки това, присъщите им недостатъци - ниска ефективност и трудности при осъществяване на непрекъсната работа - ограничават до известна степен използването им в комуникационни системи. Полупроводниковите лазери имат висока ефективност, малки размери и възможност за директно модулиране на тока на помпата. Въпреки това, много широк спектър на изходния сигнал и голям ъгъл на отклонение на лъча възпрепятстват широкото внедряване в оптични комуникационни системи.

Най-подходящи за широколентови оптични комуникационни системи са хелиево-неоновият лазер, аргоновите йонни лазери, YAG: Nd 3+ (в основен режим или с удвояване на честотата) и лазерът с въглероден диоксид. В комуникационни системи с мощност под 100 mW, за които размерите на лазера и ниската ефективност не са ограничаващи фактори, са приемливи хелиево-неонови лазери с добри спектрални свойства, ниска дивергенция на лъча и дълъг експлоатационен живот. В комуникационните системи с изходна мощност над 100 mW най-подходящи се считат аргоновите йонни лазери, YAG: Nd 3+ и CO 2 . Първите два лазера, въпреки че имат ниска ефективност, могат ефективно да се използват в многоканални комуникационни системи с повишена пропускателна способност, работещи в режим на импулсна кодова модулация. За да направят това, лазерите трябва да излъчват в режим на заключен режим. Основната пречка за широкото използване на лазери с въглероден диоксид, които имат висока ефективност и осигуряват необходимото ниво на изходна мощност, е необходимостта от разработване на широколентови фотодетектори с охлаждане за получаване на радиация с дължина на вълната 10,6 μm. Това препятствие вече е успешно преодоляно.

  • по вид на активната среда:

о твърдо състояние;

о газ;

о течност;

о полупроводник;

о плазма.

  • по вид изпомпване:

видове изпомпване:

o оптичен;

o електрически разряд в газове;

o електройонизация;

o термични (газодинамични);

o химически.

2. Твърдотелни лазери.

Лазерите в твърдо състояние са тези лазери, които използват кристален или аморфен диелектрик.

Основни характеристики на твърдотелните лазери:

  • висока концентрация на частици: до 10 19 и дори до 10 21 cm -3;
  • висока специфична консумация на енергия;
  • лазер на къси дължини;
  • оптична хомогенност (по-ниска от газовите лазери);
  • ширина на линията на луминесценция (единици A° – десетки A°),
  • Основният тип изпомпване е оптичното изпомпване.

Активна среда на твърдотелни лазери:

Матрица (основа) + активатор (добавка).

Активаторът обикновено е от дроби до няколко процента спрямо матрицата.

Принцип на действие на твърдотелни лазери.

В двустепенна система оптичното изпомпване не може да създаде инверсия.

На практика се използват 3 или 4 степенни системи.

Няколко нива могат да се използват като ниво 3 в схема с 3 нива и ниво 4 в схема с 4 нива.

4-степенната схема има по-нисък праг на генериране.

като матрици използва се широк клас вещества, по-специално соли на волфрамова, молибденова и флуороводородна киселини (H 2 WO 4, H 2 MoO 4, HF), корунд Al 2 O 3, итриеви гранати Y3Me5O12(Къде аз – Ал, Cu, Fe), например Y 3 Al 5 O 12 – YAG, стъкла с различни състави.

като активатор – хром, кобалт, никел, титан, както и много редкоземни елементи.

Примери за ефективни лазерни медии:

Al2O3:Cr3+; Y3Al5O12:Nd3+; CaF:Nd 3+; стъкло: Nd 3+и т.н. (виж справочника).

Активни елементи на твърдотелните лазери имат различни форми:

Най-често използваната форма е а).

Оптични помпени системи за твърдотелни лазери.

Оптична помпена система предназначени да създават инверсия в активни среди.

Използват се както кохерентно (лазерно) изпомпване, така и некохерентно (лампа).

В случай на некохерентно (лампово) изпомпване, оптичната изпомпваща система се състои от източник на оптично лъчение(специална лампа), осветител(рефлектор) и електрическо захранване, захранващ източника на оптично лъчение.

Например, оптичната помпена система може да включва следните елементи:

  1. усилващ транзистор;
  2. токоизправител;
  3. капацитет (капацитивно съхранение);
  4. помпаща лампа;
  5. осветител;
  6. система за запалване на светкавица;
  7. активен елемент.

Използват се специални флаш лампи, както и непрекъснати лампи.

Енергията на помпата не трябва да надвишава максималната енергия за лампата.

U c

Система за запалване ( 6 ) контролира момента, в който започва изпомпването (разреждането в лампата).

Помпените лампи най-често имат формата на цилиндър с електроди ( ориз. 4). Тъй като лампата излъчва във всички посоки, много малка част от нейното излъчване достига до активния елемент ( ориз. 5). Следователно е необходим рефлектор (осветител), който да насочи възможно най-голяма част от радиацията към активния елемент. Примери за такива осветители са елипсовиден цилиндър ( ориз. 6) и кръгъл цилиндър ( ориз. 7), чиито вътрешни повърхности имат висока отразяваща способност.

При мощните лазери е необходимо напомпване с много лампи и елемент с голям диаметър. включено ориз. 8Символите на такава система са показани схематично, по централната ос на която е разположен активният елемент (a.e.), а по фокалните линии на полуелипсите - лампата на помпата (p.l.):

Помпената система трябва да осигурява:

o висока ефективност на предаване на радиация от лампата на помпата към активния елемент;

o висока хомогенност (равномерност) на изпомпване в обема на активния елемент (както по дължината, така и в напречното сечение).

Неравномерното оптично изпомпване на активния елемент (особено в напречното сечение) води до термооптични изкривявания поради неравномерно нагряване и значително влияе върху характеристиките на излъчване на лазерите (праг на генерация, ъглова дивергенция, енергия на лъчение) и дори може да доведе до повреда на лазера . Термооптичните изкривявания възникват поради зависимостта на индекса на пречупване от топлопреминаването и неговата неравномерност в активния елемент.

Появата на термооптични изкривявания е еквивалентна на промяна в конфигурацията на резонатора, тъй като оптичната дължина на резонатора е равна на .

В твърдотелните лазери термооптичните ефекти са силно изразени, тъй като индексът на пречупване псилно зависими от температурата Т.включено ориз. 9показва случая, при който централната област на активния елемент има по-висока температура (защрихована) в сравнение с периферната област.

включено ориз. 10показва възможен случай на неравномерно изпомпване (и, следователно, температура) на активния елемент при изотропно осветяване на неговата цилиндрична странична повърхност. Цилиндричният активен елемент се държи като цилиндрична леща.

В допълнение към неравномерното изпомпване, появата на термооптични изкривявания в твърдотелните лазери се причинява от охлаждане на страничната повърхност, тъй като топлопроводимостта е ограничена и централната част на активния елемент ще има по-висока температура от страничната повърхност .

За да се увеличи равномерността на изпомпване, по-специално се използва така наречената потапяща обвивка.

Той също така увеличава плътността на енергията на помпата в активния елемент, тъй като размерът на напречното сечение, което "улавя" излъчването на помпата, се увеличава.

Това вредно явление "изяжда" инверсията и намалява генериращата енергия по посока на основното излъчване, тоест влошава характеристиките на излъчването.

За борба с него се използват потопяеми черупки, а страничната повърхност (изцяло или частично - лента и пръстени) на активния елемент също е грапава.

Недостатъкът на ламповото изпомпване е, че неговият спектър е много по-широк от лентите на поглъщане ( ориз. 13).

При кохерентно (лазерно) изпомпване излъчването на помпата може да бъде идеално съгласувано с лентите на поглъщане.

Кохерентно изпомпванее най-ефективният от гледна точка на съвпадение на спектъра. Полупроводниковите лазери се използват най-широко за кохерентно изпомпване на твърдотелни лазери. Пример за такова изпомпване е показан в Фиг. 14.

  1. полупроводниково лазерно захранване;
  2. полупроводников лазер;
  3. съвпадаща оптика;
  4. напомпан т.т. лазер.

Нека разгледаме като пример работните схеми на някои твърдотелни лазери.

Лазер върху рубин.

Al2O3:Cr3+- рубин, където хромните йони се използват като активни центрове Cr 3+, въведен като активатор в матрицата Al2O3. Лазерът работи по тристепенна схема, показана на Фиг.15.

Енергия на генериране на импулс – до 100 J.

Лазер върху неодимови стъкла.

Активната среда на лазера е стъкло с различни състави, където неодимови йони се използват като активни центрове Nd 3+, въведен като активатор в стъклена матрица, чийто лазер работи по четиристепенна схема, показана на ориз. 16.

YAG лазер.

Активната среда на лазера е Y 3 A l 5 O 12:Nd- итрий - алуминиев гранат, където неодимовите йони се използват като активатор ( Nd 3+), въведен в YAG като активатор. Работата на лазера е подобна на тази на лазер от неодимово стъкло. Лазерът работи по четиристепенна схема.

Възможно е генериране в непрекъснат режим (до 500 W-1 kW).

Твърдотелни микролазери.

Миниатюрни твърдотелни лазери могат да бъдат реализирани при високи концентрации на частици - до 10 21 cm -3 (десетки - стотици пъти повече, отколкото в YAG и стъкло). Изпомпването се извършва от светодиоди или полупроводникови лазери (кохерентно изпомпване).

Материали, които позволяват въвеждането на висока концентрация на активатор:

  • Неодимов петнофосфат NdP5O14;
  • калиев неодимов тетрофосфат KNdP 4 O 12;
  • неодимов алуминиев борат NdAl 3 (BO 3) 4;
  • литиев неодимов тетрофосфат LiNdP 4 O 12;

Импулсна мощност - няколко W, .

Те могат да осигурят едномодов лазерен лъч и да се конкурират с полупроводникови лазери. Те могат да работят в стабилен едночестотен режим, осигуряват висока кохерентност и монохроматично излъчване и ниска температурна зависимост.

  • гадолиний-скандий-галиеви гранати (GSGG) и др.

В областта на стъклата KNPS стъклата (литиево-неодимови лантаново-фосфатни стъкла) се считат за най-обещаващи. Концентрация Ndдо 10 21 cm -3.

Регулируеми твърдотелни лазери.

Регулируемите твърдотелни лазери се разделят на 3 групи:

1. Кристали, активирани от йони на преходни елементи.

Примери:

Александрит BeAl 2 O 4:Cr 3+(0,70-0,82 цт);

· Al2O3:Ti3+(0,68-0,93 микрона);

· KZn 3:Cr 3+(0,78-0,86 микрона);

· ZnWO 4:Cr 3+(0,9-1,1 микрона).

2. Лазери върху цветни центрове (LCC).

Цветните центрове (COs) са дефекти в кристалната решетка, които абсорбират светлина в спектралната област, където няма вътрешно поглъщане на кристала ( ориз. 17).

Дефекти на кристалната решетка:

· свободни места (йони, отстранени от местата на кристалната решетка);

· интерстициални йони;

· примесни атоми;

Цветните центрове имат различни обозначения в зависимост от вида на дефекта. Например, центрове, причинени от анионни ваканции, които улавят електрони, се наричат ​​f ​​центрове.

Те работят по 4-степенна схема, имат нисък праг на възбуждане и широколентов спектър на поглъщане и луминесценция.

включено ориз. 17показана е възможната структура на енергийните нива на твърдотелен лазер в цветните центрове.

CW лазерите използват лазерно изпомпване. CO лазерите могат да генерират субнаносекундни импулси.

Настройка 0.7-3.3 µm.

· LiF (0,62-1,25 µm);

· NaF (0,99-1,4 µm);

· RbCl:Li (2,55-3,28 µm)

В момента се усъвършенстват лазерите върху скъпоценни и полускъпоценни камъни (диамант, сапфир, александрит).

3. Лазери в твърдо състояние и течност .

Твърдотелните лазери се използват широко в много области на науката и технологиите, включително медицината.

Импулсните YAG лазери се използват широко (по-специално) в медицината:

с холмий хо (λ =2,1 цт);

· с ербий Ер (λ =2,79-2,9 микрона) – най-добра абсорбция във вода;

· с тулий Tm (λ =1,96-2,01 µm).

В хирургията, в допълнение:

· YAG: ( λ =1,06 цт);

· YAG: ( λ =1,32 цт);

· KDR-532 ( λ =0,532 µm).

Основата за създаване на широка гама медицински лазери могат да бъдат кристали от хром-съдържащи скандиеви гранати:

· ISGG:Cr-Nd (итрий-скандий-галиев гранат).

Миниатюрни лазери на базата на ербиево стъкло (хром-итербиево-ербиево стъкло)

LGS-X λ =1,54 цт.

Газови лазери.

Газови лазерисе наричат ​​лазери, чиято активна среда е в газообразно състояние. Това могат да бъдат самите газове или пари от течни или твърди вещества.

Основни характеристики:

· висока хомогенност на активната среда;

· висока степен на монохроматичност и кохерентност на излъчването в резултат на по-малко взаимодействие на частиците.

Поради линейните спектри (тесни ивици) на абсорбция, оптичното изпомпване рядко се използва.

Най-разпространеното изпомпване е използването на електрически разряд (както самостоятелен, така и несамостоятелен), както и химично и термично (газодинамично) изпомпване.

Дизайнът на активната среда е клетка (например тръба), в която има газообразна среда, а прозорците на клетката често са наклонени под ъгъл на Брюстър спрямо оста на клетката, за да се намалят загубите на Френел върху прозорците (вижте фиг. Фиг.18)

1. кювета, пълна с газ.

2. Прозорци на Брюстър (монтирани под ъгъл на Брюстър i Br). i Br = арктан n,
Къде п- относителен индекс на пречупване на материала на прозореца.

В този случай радиацията, поляризирана в равнината на падане, няма да изпита френелово отражение върху прозорците и ще има най-малко загуби в резонатора. Именно при тази поляризация ще се генерира радиация, тоест ще бъде радиацията линейно поляризиран.

Газовите лазери се делят на:

· атомни (използват се неутрални атоми);

· молекулярни (използват се неутрални молекули);

· йонни (използват се йони).

В зависимост от вида на изпомпване газовите лазери се разделят на:

Газоелектрически разряд (самостоятелен електрически разряд)

Електройонизация (несамостоятелен електрически разряд)

· Газодинамични (термично изпомпване)

Химически (химическо изпомпване)

Механизми за създаване на инверсия в газоразрядни лазери.

Газоотделянее набор от процеси, свързани с преминаването на електрически ток през газова среда.

При възникване на разряд се образува газоразрядна плазма (специална среда), която се характеризира със значителна концентрация на заредени и възбудени частици.

Газовите лазери използват тлеещ разряд и дъгов разряд. Използва се изпомпване с постоянен ток, както непрекъснат, така и импулсен, както и високочестотно възбуждане.

Следните процеси водят до възбуждане на частици и образуване на инверсия:

Директно електронно възбуждане (нееластични сблъсъци на електрони с частици)

д+ A → e + A*

Стъпаловидно електронно възбуждане

д+ A* → e + A**

В допълнение към тези процеси, в случай на използване на спомагателни (примесни) газове, тези процеси могат да бъдат допълнени от възбуждане на основния газ поради сблъсъци и резонансен обмен на енергия между частици на спомагателния и основния газ:

д+ B = e + B*

B* + A = B = A*,

Къде А– частици от основния газ.

IN– частици от спомагателен газ (примесен газ).

Този механизъм значително повишава ефективността на създаване на инверсия в газоразрядните лазери, тъй като позволява селективно запълване на горните работни (лазерни) нива.

В допълнение, примесните газове се използват за по-ефективно охлаждане, разтоварване на по-ниски лазерни нива (например, не в лазер на CO 2).

Газовите лазери използват както надлъжен, така и напречен електрически разряд.

Лазери с високо кръвно налягане(до атмосферно и повече) използване , А ниско налягане(единици, десетки torr), като правило, надлъжен разряд.

За охлаждане на работната смес се използват газови лазери надлъжно, така че напреченпродухване на газ и кръстосаното издухване е по-ефективно, тъй като сместа се променя по-бързо, отколкото при издухване по кюветата (виж фигурата), тъй като ширината на кюветата е значително по-малка от нейната дължина: ч<.

Газови лазери високо кръвно налягане, използвайте напречен електрически разрядИ кръстосано духанеи са обозначени като ТЕМ лазери.

За да се осигури равномерен електрически разряд в целия обем на работната смес на ТЕМ лазерите, система за прейонизация, създавайки достатъчен брой заредени частици (електрони и йони) в работния обем на газа, преди основното напрежение да бъде приложено между електродите.

За прейонизация на ТЕМ лазери се използват електронни пушки, UV радиация и плъзгащ се разряд.

Колкото по-високо е налягането на газатолкова по-голяма е концентрацията на активните частици на единица обем и съответно по-висок специфичен разход на енергия.

В лазери ниско наляганеРазширяването на емисионната линия се определя главно от ефекта на Доплер и е нехомогенно по природа, като при значителни налягания преобладават сблъсъчни процеси, които определят равномерното разширение.

по този начин естеството на разширяването на емисионната линия зависи от налягането на газа.

IN атоменизползват се лазери електронни преходи(преходи между електронни нива), и в молекулярно, предимно преходи между вибрационни и ротационни нива.

Молекулярните лазери произвеждат радиация с най-дългата дължина на вълната, тъй като използват преходи между вибрационни и ротационни нива: енергията на преходите между които е много по-малка, отколкото между електронните нива: ∆E ел<<∆E к << ∆E вр .

Характеристиките на излъчване на газовите лазери зависят както от общото налягане на газа, така и от парциалните налягания на компонентите на сместа (тяхното съотношение) - основния и спомагателния газ.

IN йонни лазери трябва да се използва висока плътност на тока, защото В допълнение към възбуждането на йони е необходимо да се създаде тяхната висока концентрация от неутрални атоми.

Характеристика на електройонизационните лазери е способността да осигурят оптимални електронни енергии за възбуждане на необходимите енергийни нива, което не може да се постигне в лазери със самоподдържащ се електрически разряд. Нека обясним това.

В газоразрядните лазери енергията на електроните се изразходва както за създаване на проводяща плазма, така и за възбуждане на активни частици. В този случай енергийните оптимуми за тези две функции са различни. Разделянето на тези функции се извършва в електройонизационни лазери с използване на несамостоятелен заряд.

Нека разгледаме като пример някои видове газоразрядни лазери.

Йонни лазери.

Кювета– капилярна (за получаване на високи плътности на тока при не много високи стойности на тока).

Широко използван като активна среда в газови лазери CO 2, N 2, CO, H 2, HF, HCl, NO 2и много други молекули.

Ексимер лазери

(лазери върху летящи молекули).

Особеност на ексимерните лазери е излъчване в UV и видимата област на спектъра.

като активна средате се използват квазимолекулиили ексимерни комплекси от атоми, появяващи се и съществуващи само във възбудено състояние.

Лазерното лъчение възниква, когато ексимерният комплекс преминава от възбудено състояние (2) в невъзбудено състояние (1), след което те се разпадат на атоми.

Ексимерните лазери работят върху електронно-вибрационни преходи по такъв начин, че когато една молекула достигне ниво (1), където няма потенциална яма, тя се разпада на атоми.

Активната среда на летящите молекули е среда с постоянно празно долно работно ниво.

Ексимерните молекули включват молекули като:

Ar 2 *, Xe 2 *, Kr 2 *, ArO*, KrO*, XeO*, XeF*и т.н.

Ексимерните лазери работят при повишено налягане (до 10 atm), за да увеличат вероятността от образуване на молекули.

Възбуждането се получава от лъч високоенергийни електрони д(стотици keV - 1 MeV), електрически разряд, бърз напречен разряд и оптично възбуждане.

Пример за реакция, водеща до образуването на молекули:

Xe + + Xe → Xe 2 + + e → Xe 2 *

Xe* + Xe → Xe 2 *

Продължителността на импулса на възбуждане е няколко десетки ns.

Газодинамични лазери

Такива лазери се наричат ​​лазери, при които инверсията на населението се създава чрез бързо разширяване на предварително загрята газова смес.

Източникът на енергия са вибрационно възбудени молекули в силно нагрят газ, а усилването се дължи на разликата в скоростите на релаксационните процеси на долните и горните лазерни нива по време на потока газ през свръхзвукова дюза. Този уникален тип лазер е директен преобразувател на топлинна енергия в кохерентна радиационна енергия.

по този начин Инверсията на населението в газоразрядния лазер се осигурява чрез нагряване и бързо разширяване на работния газ.

N 2: CO 2 : H 2 O

91,3 % 7,5 % 1,2 %

Активни центрове – молекули CO 2; t до 1500ºС.

Зад дюзата, поради рязкото разширяване на газовете и спада на температурата, разпределението на атомите по нивата трябва да се отпусне до ново равновесно състояние, съответстващо на по-ниска температура (около 300ºC).

При нова температура (зад дюзата):

Мощността на такъв лазер се определя от газовия поток.

Предварителното възбуждане (нагряване) може да се осигури както чрез химични реакции, така и чрез електрически разряд.

t u– момент на поява на инверсия.

Z и = t и V газ- разстояние от дюзата, където започва областта на инверсия.

V газ a е дебитът на газа.

Химически лазери.

Химически лазери- това са лазери, при които чрез химични реакции се постига възбуждане и инверсия на населението. Връзките се пренареждат по такъв начин, че компонентите да се окажат във възбудено състояние.

Има 2 вида химически лазери:

· със започване на химическа реакция, кога да се осигурят условия,

необходимо за протичане на химична реакция, е необходимо предварително възбуждане на реагентите, влизащи в реакцията (дисоциация, фотодисоциация, нагряване). Това води до необходимостта от специални иницииращи устройства;

· химичната реакция възниква спонтанно при смесване на компонентите

(без инициация). Генерирането на химически лазери се дължи на появата на инверсия между вибрационно-ротационните или ротационните нива на двуатомните молекули, която се образува в резултат на химично взаимодействие.

Пример за химически лазер без иницииране на химическа реакция:

H 2 + F = HF* + H F– атомен флуор.

(D 2) (DF*)

F 2 + NO → ONF + F- така се получава атомен флуор в резултат на химична реакция.

HF*- вибрационно възбудена молекула.

V = 1…..6

λ = (3,5 ÷ 5,0) µm

Има голям брой химически лазери (вижте литературата).

Течни лазери

Течни лазери- Това са лазери, които използват течна среда като активна среда.

В това отношение те имат редица характеристики:

· обемът на активната среда не е ограничен;

· по-висока оптична хомогенност в сравнение с твърдите тела;

· възможността за по-висока концентрация на активни центрове в сравнение с газовете, което прави възможно генерирането на големи мощности;

· проблемът с отвеждането на топлина се решава лесно, тъй като течността може да се изпомпва през работния обем;

· формата на активния елемент се определя от формата на кюветата, която се пълни с течност.

Например:

В зависимост от вида на активната среда течните лазери се делят на 3 вида:

1. Лазери, базирани на разтвори на редкоземни хелати(комплексен органичен

комплекси, в които йони на редкоземни елементи са заобиколени от кислородни атоми, принадлежащи към органична молекула);

2. Лазери върху разтвори на неорганични съединения на редкоземни елементи

(типични йонни системи). Те се отличават с висока ефективност и фотохимична устойчивост (например разтвор на неодимов оксид в селенов оксихлорид Nd (SeOCl 2). Работата е подобна на твърдотелен лазер върху неодимово стъкло.

3. Разтвори на органични багрила.Тези лазери са най-широко разпространени

са често срещани и дават възможност за регулиране на дължината на вълната в широк диапазон от дължини на вълните (от UV до IR).

Активна средаТечните лазери се състоят от разтворител и активно вещество, разтворено в него.

Като разтворители се използват различни вещества, например:

· дестилирана вода;

· алкохоли;

· киселини;

· глицерин;

· ацетон.

Лазерите, базирани на разтвори на органични багрила, използват органични багрила, които представляват широк клас сложни органични съединения, които, за разлика от други лазерни материали, се характеризират с широка лента на луминесценция (до 0,2 μm) и имат нестабилно горно лазерно ниво (възбудено състояние продължителност 10 -8 ÷ 10 -9 s).

Лазерното лъчение е получено с помощта на багрила, принадлежащи към 3 групи:

1. Ксантенови багрила;

2. Полиметинови багрила;

3. Кумаринови производни.

Понастоящем широко се използват по-специално следните багрила:

Родамин 6G (λ – 0,55 µm) I

Родамин G (λ – 0,585 µm) I Разтворител -

Родамин B (λ – 0,608 µm) I етилов алкохол.

Акридон (λ – 0,437 µm) I

И т.н. (виж справочните материали).

Основни физични понятия за механизма на образуване на багрилни разтвори.

В началото, когато създаваха течни лазери, те се опитваха да получат генерация по същия начин, както в твърдите тела. Те въведоха примесни йони, потърсиха тесни енергийни нива (метастабилни), въведоха редкоземни елементи, желязо и т.н. Генерирането беше много неефективно.

Тогава те разбраха, че ако нивата са достатъчно широки, тогава е възможно да се получи генериране в двустепенна система, което е невъзможно, ако нивата са тесни, тъй като в този случай е невъзможно да се извърши инверсия.

И така, основната характеристика на лазерите за боядисване е използването на две нива със значителна ширина.

Молекулите на багрилото са много сложни и имат широки енергийни нива (ленти). Лентата е широко ниво, състоящо се от огромен брой поднива. Диаграмата по-долу показва по-ниските електронни вибрационни нива на молекулата на багрилото.

τ v.u., τ n..u.- време на вътрешна релаксация;

С- синглетни нива (имат компенсирани спинове);

Т- триплетни нива (имат некомпенсирано въртене).

Преходите синглет-синглет са по-вероятни от преходите синглет-триплет, тъй като последните са свързани с преориентация на спина. Преориентацията на спина е свързана със сблъсъци на частици.

S 0: ↓↓↓ компенсирано

S 1: ↓↓ ↓ завъртане

T 0: ↓↓ некомпенсирано въртене

Изпомпването се извършва от дъното на лентата S 0до върха на лентата S 1. В този случай топлинното равновесие (разпределение на Болцман) се нарушава както между нивата S 1 - S 0и между поднивата във всяка от ивиците S 1И S 0. Време за релаксация между нивата S 1И S 0възлиза на ~10 -8 ÷10 -9 s(време за релаксация между нивата) и е значително по-голямо от времето за релаксация между поднивата на лентата S 0и райета S 1, което е ~10 -12 s(време на вътрешно ниво на релаксация).

По този начин времето за релаксация между нивата S 1 → S 0значително по-дълго време за релаксация на вътрешно ниво в лентите S 1И S 0.

Това обстоятелство позволява да се получи инверсия на населението между долната част на лентата S 1и горната част на лентата S 0под въздействието на описаното по-горе изпомпване. В този случай е възможно генериране в широк диапазон от дължини на вълните, съответстващи на преходи между различни поднива на долната част на лентата S 1 и горната част на лентата S 0и е възможно да се настройват генерираните дължини на вълните в широк диапазон!

Моля, обърнете внимание, че продължителността на импулса на помпата трябва да е кратка и да не надвишава времето за релаксация S 1 → T 1, тъй като в противен случай молекулите ще започнат да се движат до нивото T0, след това се издигнете до нивото Т 1и генерирането ще спре, тъй като молекулите няма да се върнат в първоначалното си състояние S 0.

По този начин, въпреки че в този случай се използват 2 нива (но широки), генерирането става като в четиристепенна схема с всичките й предимства.

Допълнително обяснение:

включено ориз. 35Пунктираната линия показва разпределението на частиците преди началото на изпомпването (равновесното разпределение на Болцман), а плътните линии показват разпределението, което се установява вътре в лентите S 1И S 0след изпомпване за времето за релаксация на вътрешно ниво и показване на появата на инверсия между част от лентата на подниво S 1И S 0.

Методи за възбуждане (изпомпване) на течни лазери .

Лазери на основата на багрилни разтвориработа с оптично изпомпване.

Важна характеристика е, че импулсът не трябва да надвишава времето за релаксация между нивата S 1 → T 0, тоест да го няма повече 10 -6 s. С къс пулс, преходи S 1 → T 0нямат време да се проявят. За изпомпване се използват лазери (лазерно изпомпване), обикновено работещи в режим на Q-превключване ( τ поколение ~ 10 -8 ÷ 10 -9 s) и специални помпени лампи (по-специално коаксиални с ниска индуктивност), излъчващи къси импулси.

С лазерно изпомпване (например с помощта на рубинен лазер) с Q-превключване (особено за фталоцианинови багрила), неодимов лазер с Q-превключване (за полиметинови багрила), азотен лазер ( λ ~ 3000Å) има 2 опции:

  1. Надлъжно изпомпване:

  1. Напречно изпомпване:

За изпомпване на лампи се използват по-специално коаксиални лампи.