Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование электромагнитных колебаний с частотой 30 МГц при помощи в несколько десятков ватт.

Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током при напряжении 1000…2000 В, получаемым с помощью стабилизированных выпрямителей. В этом случае газоразрядная трубка подогревным и холодным катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на который подается импульсное напряжение около 12 кВ. это напряжение получают путем разряда конденсатора емкостью 1…2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора.

Достоинством гелий-неоновых лазеров являются когерентность их излучения, малая потребляемая мощность (8…10 Вт) и небольшие размеры. Основные недостатки – невысокий КПД (0,01…0,1 %) и низкая выходная мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать в импульсном режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой амплитуды при длительности в единицы микросекунд. Главные области практического применения гелий-неоновых лазеров – научные исследования и измерительная техника.

Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой плотности (~10 3 А/см 3).

Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4p ) и нижним (4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4p , имеющий по сравнению с уровнем 4sбольшее время жизни, заселяются ионами аргона за счет из столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5p . В то же время уровень 5p, обладающий очень коротким временем жизни, быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5p , 5s, 4p состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515.

В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (~0,1 %) и большая потребляемая мощность (3…5 кВт).

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Первые расчеты, касающиеся возможности создания лазеров, и первые патенты относились главным образом к газовым лазерам, так как схемы энергетических уровней и условия возбуждения в этом случае более понятны, чем для веществ в твердом состоянии. Однако первым был открыт рубиновый лазер, хотя вскоре был создан и газовый лазер. В конце 1960 г. Джаван, Беннет и Херриотт создали гелий-неоновый лазер, работающий в инфракрасной области на ряде линий в районе 1 мкм. В последующие два года гелий-неоновый лазер был усовершенствован, а также были открыты друг е газовые лазеры, .работающие в инфракрасной области, включая лазеры с использованием других благородных газов и атомарного кислорода. Однако наибольший интерес к газовым лазерам был вызван открытием генерации гелий-неонового лазера на красной линии 6328 А при условиях, лишь незначительно отличавшихся от условий, при которых была получена генерация в первом газовом лазере. Получение генерации в видимой области спектра стимулировало интерес не только к поискам дополнительным переходов такого типа, но и к лазерным применениям, так как при этом были открыты многие новые и неожиданные явления, а лазерный луч получил новые применения в качестве лабораторного инструмента. Два года, последовавшие за открытием генерации на линии 6328 А, были насыщены большим количеством технических усовершенствований, направленных главным образом на достижение большей мощности и большей компактности этого типа лазера. Тем временем продолжались поиски новых длин волн и были открыты многие инфракрасные и несколько новых переходов в видимой области спектра. Наиболее важным из них является открытие Матиасом и импульсных лазерных переходов в молекулярном азоте и в окиси углерода.

Следующим наиболее важным этапом в развитии лазеров было, по-видимому, открытие Беллом в конце 1963г. лазера, работающего на ионах ртути. Хотя лазер на ионах ртути сам по себе не оправдал первоначальных надежд на получение больших мощностей в непрерывном режиме в красной и зеленой областях спектра, это открытие указало новые режимы разряда, при которых могут быть обнаружены лазерные переходы в видимой области спектра. Поиски таких переходов были проведены также среди других ионов. Вскоре было обнаружено, что ионы аргона представляют собой наилучший источник лазерных переходов с большой мощностью в видимой области и что на них может быть получена генерация в непрерывном режиме. В результате дальнейших усовершенствований аргонового лазера в непрерывном режиме была получена наиболее высокая мощность, какая только возможна в видимой области. В результате поисков была открыта генерация на 200 ионных переходах, сосредоточенных главным образом в видимой, а также в ультрафиолетовой частях спектра. Такие поиски, по-видимому, еще не окончены; в журналах по прикладной физике и в технических журналах часто появляются сообщения о генерации на новых длинах волн,

Тем временем.технические усовершенствования лазеров быстро расширялись, в результате чего исчезли многие “колдовские” ухищрения первых конструкций гелий-неоновых и других газовых лазеров. Исследования таких лазеров, начатые Беннетом, продолжались до тех пор, пока не был создан гелий-неоновый лазер, который можно установить на обычном столе с полной уверенностью в том, что лазер будет функционировать так, как это ожидалось при его создании. Аргоновый ионный лазер не исследован столь же хорошо; однако большое число оригинальных работ Гордона Бриджеса и позволяет предвидеть в разумных пределах возможные параметры такого лазера.

На протяжении последнего года появился ряд интересных работ, посвященных газовым лазерам, однако еще слишком рано определять их относительную ценность. Ко всеобщему удивлению наиболее важным достижением явилось открытие Пейтелом генерации вынужденного излучения в СО2 на полосе 1,6 мк с высоким КПД. выходная мощность в этих лазерах может быть доведена до сотен ватт, что обещает открыть целую новую область лазерных применений.
Список использованной литературы:

Энциклопедический словарь юного физика (гл. редактор Мигдал А.Б.)

Москва “Педагогика” 1991г.

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

Москва “Просвещение” 1993г.

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

”Газовые лазеры” (под. ред. Н.Н. Соболева) Москва “Мир” 1968г.

”Основы лазерной техники” Байбородин Ю. В. 2-е изд., К.:1988, 383с.

Инверсию населенностей в лазерах создают разными способами. Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции.

Для того, чтобы от режима усиления перейти к режиму генерации света, в лазере, как и в любом генераторе, используют обратную связь. Обратная связь в лазере осуществляется с помощью оптического резонатора, который в простейшем случае представляет собой пару параллельных зеркал.

Принципиальная схема лазера показана на рис. 6. Она содержит активный элемент, резонатор, источник накачки.

Лазер работает следующим образом. Сначала источник накачки (например, мощная лампа - вспышка), воздействуя на рабочее вещество (активный элемент) лазера, создает в нем инверсию населенностей. Затем инвертированная среда начинает спонтанно испускать кванты света. Под действием спонтанного излучения начинается процесс вынужденного излучения света. Благодаря инверсии населенностей этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к экспоненциальному усилению света. Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительную энергию. В тоже время световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно проходит через активный элемент, непрерывно набирая энергию. Благодаря частичному пропусканию света одним из зеркал резонатора излучение выводится наружу, образуя лазерный луч.

Рис.6. Принципиальная схема лазера. 1- активный элемент; 2- система накачки;

3- оптический резонатор; 4- генерируемое излучение.

§5. Устройство и работа гелий-неонового лазера

Рис.7. Принципиальная схема гелий - неонового лазера.

1). Лазер состоит из газоразрядной трубки Т длиной от нескольких десятков см. до 1,5-2м и внутренним диаметром 7-10мм. Трубка наполнена смесью гелия (давление~1мм рт.ст.) и неона (давление ~0,1мм рт. ст.). Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р 1 и Р 2 , установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала S 1 и S 2 , между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражения и практически не поглощают свет. Пропускаемость зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого - менее 1%. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1-2кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. Лазер генерирует красный свет с длиной волны =632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,15 и 3,39 мкм (см. рис. 2). Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области.

2). В лазерах индуцированное излучение используется для генерации когерентных световых волн. Идея этого впервые была высказана в 1957 г. А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и независимо от них Ч. Таунсом. Чтобы активное вещество лазера превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Это означает, что часть излученного света должна все время возвращаться в зону активного вещества и вызвать вынужденное излучение все новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя зеркалами S 1 и S 2 (см. рис.7), которые являются элементами обратной связи. Луч света, претерпевая многократные отражения от зеркал S 1 и S 2 , будет проходить много раз через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов с высшего энергетического уровня " 3 на более низкий уровень  " 1 . Получается открытый резонатор, в котором зеркала обеспечивают многократное прохождение (и тем самым усиление) светового потока в активной среде. В реальном лазере часть света, чтобы ее можно было использовать, должна быть выпущена из активной среды наружу. С этой целью одной из зеркал, например S 2 , делается полупрозрачным.

Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также коллимировать и монохроматизировать его. Для простоты предложим сначала, что зеркала S 1 и S 2 идеальны. Тогда лучи, параллельно оси цилиндра, будут проходить через активное вещество туда и обратно неограниченное число раз. Все же лучи, идущие наклонно, в конце концов, попадут на боковую стенку цилиндра, где они рассеются или выйдут наружу. Ясно поэтому, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра. Этим и объясняется коллимация лучей. Конечно, строго параллельные лучи получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела  D , где D - ширина пучка. Однако, в лучших газовых лазерах такой предел практически достигнут.

Объясним теперь, как происходит монохроматизация света. Пусть Z - оптическая длина пути между зеркалами. Если 2 Z = m , то есть на длине Z укладывается целое число полуволн m, то световая волна, выйдя от S 1 , после прохождения туда и обратно вернется к S 1 в той же фазе. Такая волна усилится при втором и всех следующих прохождениях через активное вещество в прямом и обратном направлениях. Ближайшая длина волны  , для которой должно происходить такое же усиление, найдется из условия 2 Z =(m 1)( ). Следовательно,  = / m , то есть  , как и следовало ожидать совпадает со спектральной областью интерферометрам Фабри-Перо. Учтем теперь, что энергетические уровни " 3 и  " 1 и спектральные линии, возникающие при переходах между ними, не бесконечно тонкие, а имеют конечную ширину. Предположим, что ширина спектральной линии, излучаемой атомами, меньше дисперсной области прибора. Тогда из всех длин волн, излучаемых атомами, условию 2 Z = m может удовлетворять только одна длина волны . Такая волна усилится максимально. Это и ведет к сужению спектральных линий, генерируемых лазером, то есть к монохроматизации света.

Основные свойства пучка лазерного света:

    монохроматичность;

    пространственная и временная когерентность;

    высокая интенсивность;

    малая расходимость пучка.

Благодаря высокой когерентности гелий-неоновый лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования всякого рода интерференционных и дифракционных явлений, осуществления которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры.

Ионные лазеры

Ионные лазеры -- это тип газовых лазеров, в которых верхний уровень заселяется путем двух последовательных столкновении с электронами в электрическом разряде (ионизация + возбуждение). Энергии ионов превосходят атомарные, поэтому ионные лазеры генерируют в видимой и УФ-области спектра.

Из-за большой плотности тока в разрядной трубке может происходить перекачка ионов к катоду, поэтому требуется дополнительный обводной капал. Для предотвращения разрушения трубки при бомбардировке быстрыми ионами ее изготавливают из керамики и помещают в продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом. Радиально движущиеся заряженные частицы испытывают отклоняющее действие силы Лоренца, в результате их траектории искривляются, уменьшая скорость диффузии зарядов к стенкам. Примером может служить аргоновый лазер, генерирующий в видимой области на линиях л 1 = 488 им (голубая) и л 2 = 514,5 им (зеленая).

При проектировании передающих устройств оптических систем связи инженер неизбежно сталкивается с необходимостью выбора источника излучения -- оптического квантового генератора. Выбор генератора зависит от конкретных условий применения системы связи: ее размещения (наземный или космический, подвижный или стационарный варианты), спектрального диапазона работы, импульсного или непрерывного режима, требуемой выходной мощности, требуемой расходимости луча и стабильности частоты, кпд передатчика, ресурса генератора и срока службы системы, видов модуляции и приема, необходимости учета атмосферы и т. д. Каждый из этих факторов необходимо учитывать. Из самых общих соображений можно дать следующие рекомендации .

Газовые ОКГ обладают высокими монохроматичностью и стабильностью частоты, а также малым углом расхождения луча; они могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах при высокой частоте повторения. Недостатками газовых ОКГ являются малый КПД (исключая ОКГ на двуокиси углерода) и относительна большие габариты. Твердотельные ОКГ характеризуются высокой импульсной мощностью и возможностью получения импульсов очень малой длительности. Однако присущие им недостатки -- малый КПД и трудности реализации непрерывного режима работы -- ограничивают до определенной степени их применение в системах связи. Полупроводниковые ОКГ обладают высоким КПД, малыми габаритами, возможностью осуществления непосредственной модуляции током накачки. Однако весьма широкий спектр выходного сигнала и большой угол расхождения луча сдерживают широкое внедрение в оптические системы связи.

Наиболее подходящими для широкополосных оптических систем связи являются гелий-неоновый лазер, лазеры на ионах аргона, АИГ: Nd 3+ (в основном режиме или с удвоением частоты) и лазер на двуокиси углерода. В системах связи мощностью менее 100 мВт, для которых габариты ОКГ и низкий кпд не являются ограничивающими факторами, приемлемы гелий-неоновые ОКГ, обладающие хорошими спектральными свойствами, малой расходимостью луча и большим сроком службы. В системах связи с выходной мощностью свыше 100 мВт наиболее пригодными считаются ОКГ на ионах аргона, АИГ: Nd 3+ и СО 2 . Первые два ОКГ, хотя и обладают низким КПД, могут эффективно использоваться в многоканальных системах связи с повышенной пропускной способностью, работающих в режиме кодово-импульсной модуляции. Для этого ОКГ должны излучать в режиме синхронизации мод. Главным препятствием широкого использования ОКГ на двуокиси углерода, имеющих высокий кпд и обеспечивающих требуемый уровень выходной мощности, является необходимость разработки широкополосных фотоприемников с охлаждением для приема излучения с длиной волны 10,6 мкм. Это препятствие в настоящее время успешно преодолевается.

  • по типу активной среды:

o твердотельные;

o газовые;

o жидкостные;

o полупроводниковые;

o плазменные.

  • по типу накачки:

виды накачки:

o оптическая;

o электрический разряд в газах;

o электроионизационная;

o тепловая (газодинамическая);

o химическая.

2. Твердотельные лазеры.

Твердотельные лазеры – это такие лазеры, которые используют кристаллический или аморфный диэлектрик.

Основные особенности твердотельных лазеров:

  • высокая концентрация частиц: до 10 19 и даже до 10 21 см -3 ;
  • высокий удельный энергосъем;
  • генерация при малых длинах;
  • оптическая однородность (уступает газовым лазерам);
  • ширина линии люминесценции (единицы А° –десятки А°),
  • основной тип накачки – оптическая накачка.

Активная среда твердотельных лазеров:

Матрица (основа) + активатор (примесь).

Активатор обычно от долей до нескольких процентов по отношению к матрице.

Принцип действия твердотельных лазеров.

В 2-х уровневой системе оптической накачкой инверсию не создать.

На практике используют 3-х или 4-х уровневые системы.

В качестве уровня 3 в 3-х уровневой схеме, и уровня 4 в 4-х уровневой схеме могут использоваться несколько уровней.

Более низким порогом генерации обладает 4-х уровневая схема.

В качестве матриц используется широкий класс веществ, в частности, соли вольфрамовой, молибденовой и плавиковой кислот(H 2 WO 4 , H 2 MoO 4 ,HF), корунд Al 2 O 3 , иттриевые гранаты Y 3 Me 5 O 12 (где Me – Al , Cu , Fe ), например Y 3 Al 5 O 12 – ИАГ, стекла различных составов.

В качестве активатора – хром, кобальт, никель, титан, а также многие редкоземельные элементы.

Примеры эффективных лазерных сред:

Al 2 O 3:Cr 3+ ; Y 3 Al 5 O 12:Nd 3+ ; CaF:Nd 3+ ; стекло:Nd 3+ и т.д. (см. справочник).

Активные элементы твердотельных лазеров имеют различные формы:

Наиболее часто используется форма а).

Системы оптической накачки твердотельных лазеров.

Система оптической накачки предназначена для создания инверсии в активных средах.

Используется как когерентная (лазерная) накачка, так и некогерентная (ламповая).

В случае некогерентной (ламповой) накачки, система оптической накачки состоит из источника оптического излучения (специальной лампы), осветителя (отражателя) и электрического блока питания , питающего источник оптического излучения.

Например, система оптической накачки может включать в себя следующие элементы:

  1. повышающий транзистор;
  2. выпрямитель;
  3. емкость (емкостной накопитель);
  4. лампа накачки;
  5. осветитель;
  6. система поджига импульсной лампы;
  7. активный элемент.

Используются специальные импульсные лампы, а также лампы непрерывного свечения.

Энергия накачки не должна быть больше предельной энергии для лампы.

U c

Система поджига (6 ) управляет моментом начала накачки (разряда в лампе).

Лампы накачки чаще всего имеют форму цилиндра с электродами (рис. 4 ). Так как лампа излучает во все стороны, очень малая доля её излучения попадает на активный элемент (рис. 5 ). Поэтому необходим отражатель (осветитель), который бы направил по возможности большую долю излучения на активный элемент. Примерами таких осветителей являются эллиптический цилиндр (рис. 6 ) и круговой цилиндр (рис. 7 ), внутренние поверхности которых имеют высокие коэффициенты отражения.

В случае мощных лазеров требуется многоламповая накачка и элемент большого диаметра. На рис. 8 схематично показан примет такой системы, вдоль центральной оси которой расположен активный элемент (а.э.), а вдоль фокальных линий полуэллипсов – лампы накачки (л.н.):

Система накачки должна обеспечивать:

o высокую эффективность передачи излучения от лампы накачки к активному элементу;

o высокую однородность (равномерность) накачки в объеме активного элемента (как по длине, так и в поперечном сечении).

Неравномерность оптической накачки активного элемента (особенно в поперечном сечении), приводит к термооптическим искажениям вследствие неравномерности его нагрева, и сильно влияет на характеристики излучения лазеров (порог генерации, угловую расходимость, энергию излучения) и даже может приводить к срыву генерации. Термооптические искажения возникают из-за зависимости коэффициента преломления от теплопередачи и неравномерности ее в активном элементе.

Появление термооптических искажений, эквивалентно изменению конфигурации резонатора, так как оптическая длина резонатора равна .

В твердотельных лазерах сильно проявляются термооптические эффекты, так как показатель преломления n сильно зависит от температуры T. На рис. 9 показан случай, когда центральная область активного элемента имеет более высокую температуру (заштриховано) по сравнению с периферийной областью.

На рис. 10 показан возможный случай неравномерной накачки (а, следовательно, и температуры) активного элемента при изотропном освещении его цилиндрической боковой поверхности. Цилиндрический активный элемент ведет себя как цилиндрическая линза.

К появлению термооптических искажений твердотельных лазеров приводит, кроме неравномерности накачки, охлаждение боковой поверхности, так как теплопроводность ограничена, и центральная часть активного элемента будет иметь большую температуру, чем боковая поверхность.

Для увеличения равномерности накачки используется, в частности, так называемая иммерсионная оболочка.

Она же увеличивает и плотность энергии накачки в активном элементе, так как растет размер поперечного сечения, «захватывающего» излучение накачки.

Это вредное явление «съедает» инверсию и уменьшает энергию генерации в направлении основного излучения, то есть ухудшает характеристики излучения.

Для борьбы с ним используют иммерсионные оболочки, а так же делают шероховатой боковую поверхность (полностью или частично – полоска и кольца) активного элемента.

Недостаток ламповой накачки – её спектр значительно шире полос поглощения (рис. 13 ).

При когерентной (лазерной) накачке можно идеально согласовать излучение накачки с полосами поглощения.

Когерентная накачка является наиболее эффективной с точки зрения согласования спектров. Для когерентной накачки твердотельных лазеров наиболее широко используются полупроводниковые лазеры. Пример такой накачки показан на рис.14.

  1. блок питания полупроводникового лазера;
  2. полупроводникового лазер;
  3. согласующая оптика;
  4. накачиваемый т.т. лазер.

Рассмотрим в качестве примера рабочие схемы некоторых твердотельных лазеров.

Лазер на рубине.

Al 2 O 3:Cr 3+ - рубин, где в качестве активных центров используются ионы хрома Cr 3+ , введенного в качестве активатора в матрицу Al 2 O 3 . Лазер работает по трехуровневой схеме, показанной на рис.15 .

Энергия генерации в импульсе – до 100 Дж.

Лазер на неодимовом стекле.

Активной средой лазера являются стекла различных составов, где в качестве активных центров используются ионы неодима Nd 3+ , введенного в качестве активатора в стеклянную матрицу, лазер которой работает по четырехуровневой схеме, показанной на рис. 16 .

Лазер на ИАГ.

Активной средой лазера является Y 3 A l 5 O 12:Nd - иттрий – алюминиевый гранат, где в качестве активатора используются ионы неодима (Nd 3+ ), введенного в ИАГ в качестве активатора. Работа лазера аналогична лазеру на неодимовом стекле. Лазер работает по четырехуровневой схеме.

Возможна генерация в непрерывном режиме (до 500 Вт-1кВт).

Твердотельные микролазеры.

Миниатюрные лазеры на твердом теле могут быть реализованы при большой концентрации частиц – до 10 21 см -3 (в десятки - сотни раз больше, чем в ИАГ и стекле). Накачка осуществляется светодиодами или полупроводниковыми лазерами (когерентная накачка).

Материалы, позволяющие вводить высокую концентрацию активатора:

  • петнофосфат неодима NdP 5 O 14 ;
  • тетрофосфат неодима калия KNdP 4 O 12 ;
  • борат неодима-алюминия NdAl 3 (BO 3) 4 ;
  • тетрофосфат лития неодима LiNdP 4 O 12 ;

Мощность в импульсе – несколько Вт, .

Могут обеспечивать одномодовый режим генерации, конкурируют с полупроводниковыми лазерами. Могут работать в стабильном одночастотном режиме, обеспечивают высокую когерентность и монохроматичность излучения, малая зависимость от температуры.

  • гадолиний-скандий-галлиевые гранаты (ГСГГ) и др.

В области стекол наиболее перспективными считаются стекла КНФС (литий-неодим-лантан-фосфатные стекла). Концентрация Nd до 10 21 см -3 .

Перестраиваемые твердотельные лазеры.

Перестраиваемые твердотельные лазеры подразделяют на 3 группы:

1. Кристаллы, активированные ионами переходных элементов.

Примеры:

· Александрит BeAl 2 O 4:Cr 3+ (0.70-0.82 мкм);

· Al 2 O 3:Ti 3+ (0.68-0.93мкм);

· KZn 3:Cr 3+ (0.78-0.86мкм);

· ZnWO 4:Cr 3+ (0.9-1.1мкм).

2. Лазеры на центрах окраски (ЛЦО).

Центрами окраски (ЦО) называются дефекты кристаллической решетки, поглощающие свет в спектральной области, где собственное поглощение кристалла отсутствует (рис. 17 ).

Дефекты кристаллической решетки:

· вакансии (удаленные из узлов кристаллической решетки ионы);

· межузельные ионы;

· примесные атомы;

Центры окраски имеют различные обозначения, соответствующие типу дефекта. Так, например, центры, обусловленные анионными вакансиями, захватывающими электроны, называют f центрами.

Работают по 4-х уровневой схеме, обладают низким порогом возбуждения, широкополосным спектром поглощения и люминесценции.

На рис. 17 показана возможная структура энергетических уровней твердотельного лазера на центрах окраски.

Непрерывные лазеры используют лазерную накачку. Лазеры на ЦО могут генерировать субнаносекундные импульсы.

Перестройка 0.7-3.3мкм.

· LiF (0.62-1.25мкм);

· NaF (0.99-1.4мкм);

· RbCl:Li (2.55-3.28мкм)

В настоящее время совершенствуются лазеры на драгоценных и полудрагоценных камнях (алмаз, сапфир, александрит)

3. Твердотельно-жидкостные лазеры .

Твердотельные лазеры получили широкое применение во многих областях науки и техники, в том числе, и в медицине.

Широко используются (в частности) в медицине импульсные лазеры на ИАГ:

· с гольмием Ho (λ =2.1мкм);

· с эрбием Er (λ =2.79-2.9мкм) –наилучшее поглощение в воде;

· с тулием Tm (λ =1.96-2.01мкм).

В хирургии, кроме того:

· ИАГ: (λ =1.06мкм);

· ИАГ: (λ =1.32мкм);

· КДР-532 (λ =0.532мкм).

Основой для создания широкого спектра медицинских лазеров могут служить кристаллы хромсодержащих скандиевых гранатов:

· ИСГГ:Cr-Nd (иттрий-скандий-галлиевый гранат).

Миниатюрные лазеры на основе эрбиевого стекла (хром-иттербий-эрбиевое стекло)

ЛГС-Х λ =1.54мкм.

Газовые лазеры.

Газовыми лазерами называются лазеры, активная среда которых находится в газообразном состоянии. Это могут быть собственно газы, либо пары жидких или твёрдых веществ.

Основные особенности:

· высокая однородность активной среды;

· высокая степень монохроматичности и когерентности излучения как следствие меньшего взаимовлияния частиц.

Из-за линейчатых спектров (узких полос) поглощения оптическая накачка используется редко.

Наибольшее распространение получила накачка с помощью электрического разряда (как самостоятельного, так и несамостоятельного), а также химическая накачка и тепловая (газодинамическая).

Конструкция активной среды представляет собой кювету (например, трубку), в которой имеется газовая среда, а окна кюветы часто наклонены под углом Брюстера к оси кюветы для уменьшения френелевских потерь на окнах (см. рис.18 )

1. кювета, заполненная газом.

2. Окна Брюстера (установлены под углом Брюстера i Бр ). i Бр = arctg n ,
где n - относительный показатель преломления материала окон.

При этом излучение, поляризованное в плоскости падения, не будет испытывать френелевское отражение на окнах и для него в резонаторе будут наименьшие потери. Именно на этой поляризации будет генерироваться излучение, то есть излучение при этом будет линейно поляризовано .

Газовые лазеры подразделяются на:

· атомарные (используются нейтральные атомы);

· молекулярные (используются нейтральные молекулы);

· ионные (используются ионы).

В зависимости от вида накачки газовые лазеры подразделяются на:

· Газоэлектроразрядные (самостоятельный электрический разряд)

· Электроионизационные (несамостоятельный электрический разряд)

· Газодинамические (тепловая накачка)

· Химические (химическая накачка)

Механизмы создания инверсии в газоразрядных лазерах.

Газовым разрядом называется совокупность процессов, связанных с прохождением электрического тока через газообразную среду.

При возникновении разряда образуется газоразрядная плазма (особая среда), для которой характерна значительная концентрация заряженных и возбуждённых частиц.

В газовых лазерах используется тлеющий разряд и дуговой. Используется накачка с помощью постоянного тока, как непрерывного, так и импульсного, а также высокочастотное возбуждение.

К возбуждению частиц и образованию инверсии приводят следующие процессы:

Прямое электронное возбуждение (неупругие соударения электронов с частицами)

e + A → e + A*

Ступенчатое электронное возбуждение

e + A* → e + A**

Кроме этих процессов в случае использования вспомогательных (примесных) газов указанные процессы могут дополняться возбуждением основного газа за счёт соударений и резонансного обмена энергией между частицами вспомогательного и основного газов:

e + B = e + B*

B* + A = B = A*,

где А – частицы основного газа.

В – частицы вспомогательного газа (примесного газа).

Этот механизм значительно увеличивает эффективность создания инверсии в газоразрядных лазерах, так как позволяет селективно заселять верхние рабочие (лазерные) уровни.

Кроме того, примесные газы используются для более эффективного охлаждения, разгрузки нижних лазерных уровней (например, Не в лазере на СО 2 ).

Газовые лазеры используют как продольный, так и поперечный электрический разряд.

Лазеры с повышенным давлением (до атмосферного и большего) используют , а низкого давления (единицы, десятки тор), как правило, продольный разряд .

Для охлаждения рабочей смеси газовые лазеры используют как продольный , так и поперечный продув газа, причём поперечный продув является более эффективным , так как смена смеси происходит быстрее, чем при продуве вдоль кюветы (см. рис.), так как ширина кюветы значительно меньше ее длины: h<.

Газовые лазеры повышенного давления , используют поперечный электрический разряд и поперечный продув и обозначаются как ТЕА лазеры .

Для обеспечения равномерного электрического разряда во всём объёме рабочей смеси ТЕА лазеров используется система предионизации , создающая в рабочем объёме газа достаточное количество заряженных частиц (электронов и ионов) перед моментом подачи основного напряжения между электродами.

Для преионизации ТЕА лазеров используются электронные пушки, УФ излучение, скользящий разряд.

Чем больше давление газа , тем больше концентрация активных частиц в единице объёма и, соответственно, больше удельный энергосъём .

В лазерах низкого давления уширение линии излучения определяется, в основном, эффектом Доплера и носит неоднородный характер, а при значительных давлениях превалируют столкновительные процессы, определяющие однородное уширение.

Таким образом, характер уширения линии излучения зависит от давления газа .

В атомарных лазерах используются электронные переходы (переходы между электронными уровнями ), а в молекулярных , в основном – переходы между колебательными и вращательными уровнями .

Молекулярные лазеры дают наиболее длинноволновое излучение, так как используют переходы между колебательными и вращательными уровнями: энергия переходов между которыми значительно меньше, чем между электронными уровнями: ∆E эл <<∆E к << ∆E вр .

Характеристики излучения газовых лазеров зависят как от общего давления газа, так и от парциальных давлений компонентов смеси (их соотношения) – основного и вспомогательного газа.

В ионных лазерах необходимо использовать высокие плотности тока , т.к. кроме возбуждения ионов необходимо создать их высокую концентрацию из нейтральных атомов.

Особенностью электроионизационных лазеров является возможность обеспечения оптимальных значений энергий электронов для возбуждения нужных уровней энергии, что невозможно реализовать в лазерах с самостоятельным электрическим разрядом. Поясним это.

В газоразрядных лазерах энергия электронов расходуется как на создание проводящей плазмы, так и на возбуждение активных частиц. При этом оптимумы энергии для этих двух функций различны. Разделение этих функций осуществляется в электроионизационных лазерах, использующих несамостоятельный заряд.

Рассмотрим в качестве примера некоторые типы газоразрядных лазеров.

Ионные лазеры.

Кювета – капилляр (для получения больших плотностей тока при не очень больших его значениях).

В качестве активной среды в газовых лазерах широко используются CO 2 , N 2 , CO, H 2 , HF, HCl, NO 2 и многие другие молекулы.

Эксимерные лазеры

(лазеры на разлётных молекулах).

Особенностью эксимерных лазеров является генерация в области УФ и видимом участке спектра .

В качестве активной среды в них используются квазимолекулы или эксимерные комплексы атомов , появляющиеся и существующие только в возбужденном состоянии.

Лазерное излучение возникает при переходе эксимерного комплекса из возбужденного состояния (2) в невозбужденное (1), после чего они распадаются на атомы.

Работают эксимерные лазеры на электронно-колебательных переходах таким образом, когда молекула попадает на уровень (1), где нет потенциальной ямы, она распадается на атомы.

Активная среда на разлетных молекулах – среда с постоянно пустующим нижним рабочим уровнем.

К эксимерным молекулам относятся такие молекулы, как:

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

Работают эксимерные лазеры при повышенном давлении (до 10 атм.) для повышения вероятности образования молекул.

Возбуждение производится пучком высокоэнергетических электронов е (сотни кэВ – 1МэВ), электрическим разрядом, быстрым поперечным разрядом и оптическим возбуждением.

Пример реакции, приводящей к образованию молекул:

Xe + + Xe → Xe 2 + + e → Xe 2 *

Xe* + Xe → Xe 2 *

Длительность импульса возбуждения – несколько десятков нс.

Газодинамические лазеры

Такими лазерами называются лазеры, инверсия населения в которых создаётся путём быстрого расширения предварительно нагретой газовой смеси.

Источником энергии служат колебательно возбуждаемые молекулы в сильно нагретом газе, а усиление возникает за счёт различия в скоростях процессов релаксации нижнего и верхнего лазерных уровней во время истечения газа через сверхзвуковое сопло. Этот уникальный тип лазера является прямым преобразователем тепловой энергии в энергию когерентного излучения.

Таким образом, инверсия населения в газоразрядном лазере обеспечивается нагревом и быстрым расширением рабочего газа.

N 2: CO 2: H 2 O

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

Активные центры – молекулы СО 2 ; t до 1500ºС.

За соплом вследствие резкого расширения газов и падения температуры распределение атомов по уровням должно релаксировать к новому равновесному состоянию, соответствующему более низкой температуре (около 300ºС).

При новой температуре (за соплом):

Мощность такого лазера определяется расходом газа.

Предварительное возбуждение (нагрев) может обеспечиваться и химическими реакциями, и электрическим разрядом.

t u – момент появления инверсии.

Z и = t и · V газа - расстояние от сопла, где начинается область инверсии.

V газ а - скорость истечения газа.

Химические лазеры.

Химические лазеры - это лазеры, в которых возбуждение и инверсия населённостей достигается за счёт осуществления химических реакций. Связи перестраиваются таким образом, что компоненты оказываются в возбуждённом состоянии.

Различают 2 вида химических лазеров:

· с инициированием химической реакции , когда для обеспечения условий,

необходимых для протекания химической реакции требуется предварительное возбуждение реагентов, вступающих в реакцию (диссоциация, фотодиссоциация, нагревание). Это приводит к необходимости специальных инициирующих устройств;

· химическая реакция возникает самопроизвольно при смешивании компонент

(без инициирования). Генерация химических лазеров обусловлена появлением инверсии между колебательно-вращательными или вращательными уровнями двухатомных молекул, образующейся в результате химического взаимодействия.

Пример химического лазера без инициирования химической реакции:

H 2 + F = HF* + H F – атомарный фтор.

(D 2) (DF*)

F 2 + NO → ONF + F - так получают атомарный фтор в результате химической реакции.

HF* - колебательная возбуждённая молекула.

V = 1…..6

λ = (3,5 ÷ 5,0) мкм

Существует большое число химических лазеров (см. литературу).

Жидкостные лазеры

Жидкостные лазеры - это лазеры, где в качестве активной среды используются жидкие среды.

В связи с этим они имеют ряд особенностей:

· не ограничен объём активной среды;

· более высокая оптическая однородность по сравнению с твёрдыми телами;

· возможность более высокой концентрации активных центров по сравнению с газами, что позволяет генерировать высокие мощности;

· легко решается проблема теплоотвода, так как жидкость можно прокачивать через рабочий объём;

· форма активного элемента определяется формой кюветы, которая заполняется жидкостью.

Например:

В зависимости от типа активной среды жидкостные лазеры делятся на 3 типа:

1. Лазеры на растворах редкоземельных хелатов (сложные органические

комплексы, в которых ионы редкоземельных элементов находятся в окружении атомов кислорода, принадлежащих органической молекуле);

2. Лазеры на растворах неорганических соединений редкоземельных элементов

(типичные ионные системы). Отличаются высокой эффективностью и фотохимической стойкостью (например, раствор окиси неодима в оксихлориде селена Nd (SeOCl 2). Работа аналогична твердотельному лазеру на неодимовом стекле.

3. Растворы органических красителей. Эти лазеры наиболее широко

распространены и дают возможность перестройки длины волны в широком диапазоне длин волн (от УФ до ИК).

Активная среда жидкостных лазеров состоит из растворителя и растворённого в нём активного вещества.

В качестве растворителя используются различные вещества, например, такие как:

· дистиллированная вода;

· спирты;

· кислоты;

· глицерин;

· ацетон.

В лазерах на растворах органических красителей используются органические красители, которые составляют обширный класс сложных органических соединений, который в отличие от других лазерных материалов характеризуется широкой полосой люминесценции (до 0,2 мкм) и имеет неустойчивый верхний лазерный уровень (длительность возбужденного состояния 10 -8 ÷ 10 -9 с).

Лазерное излучение получено на красителях, относящихся к 3 группам:

1. Ксантеновые красители;

2. Полиметиновые красители;

3. Производные кумарина.

В настоящее время широко используются, в частности, следующие красители:

Родамин 6G (λ – 0,55 мкм) I

Родамин G (λ – 0,585 мкм) I Растворитель -

Родамин B (λ – 0,608 мкм) I этиловый спирт.

Акридон (λ – 0,437 мкм) I

И др. (см. справочные материалы).

Основные физические представления о механизме генерации растворов красителей.

В начале, при создании жидкостных лазеров пытались получить генерацию также как в твёрдых телах. Вводили примесные ионы, искали узкие энергетические уровни (метастабильные), вводили элементы редких земель, железо и т.п. Генерация была очень неэффективной.

Затем поняли, что если уровни достаточно широкие, то можно получить генерацию и в двухуровневой системе, что невозможно, если уровни узкие, так как при этом невозможно осуществить инверсию.

Итак, основная особенность лазеров на красителях – это использование двух уровней значительной ширины.

Молекулы красителя весьма сложны и обладают широкими энергетическими уровнями (полосами). Полоса – это широкий уровень, состоящий из огромного числа подуровней. На приведённой ниже схеме изображены нижние электронно-колебательные уровни молекулы красителя.

τ в.у., τ н..у - время внутренней релаксации;

S - синглетные уровни (имеют скомпенсированные спины);

Т - триплетные уровни (имеют нескомпенсированный спин).

Наиболее вероятны переходы синглет-синглет, чем синглет-триплет, так как последние связаны с переориентацией спина. Переориентация спина связана со столкновениями частиц.

S 0: ↓↓↓ скомпенсированный

S 1: ↓↓ ↓ спин

T 0: ↓↓ нескомпенсированный спин

Накачку производят из нижней части полосы S 0 в верхнюю часть полосы S 1 . При этом нарушается тепловое равновесие (распределение Больцмана) как между уровнями S 1 - S 0 , так и между подуровнями внутри каждой из полос S 1 и S 0 . Время релаксации между уровнями S 1 и S 0 составляет ~10 -8 ÷10 -9 с (время межуровневой релаксации) и значительно больше, чем время релаксации между подуровнями полосы S 0 и полосы S 1 , которое составляет ~10 -12 с (время внутриуровневой релаксации).

Таким образом, время межуровневой релаксации S 1 → S 0 значительно больше времени внутриуровневой релаксации в полосах S 1 и S 0 .

Это обстоятельство и позволяет получать инверсию населённостей между нижней частью полосы S 1 и верхней частью полосы S 0 при воздействии накачки, описанной выше. При этом генерация возможна в широком диапазоне длин волн, соответствующих переходам между различными подуровнями нижней части полосы S 1 и верхней части полосы S 0 и возможна перестройка генерируемых длин волн в широком диапазоне!

Обратим внимание на то, что длительность импульса накачки должна быть короткой и не превышать время релаксации S 1 → T 1 ,так как в противном случае молекулы начнут переходить на уровень T 0 , затем поднимаются на уровень T 1 и генерация прекратится, так как молекулы не вернутся в исходное состояние S 0 .

Таким образом, хотя в данном случае используются 2 уровня (но широких), генерация происходит как в четырёхуровневой схеме со всеми её преимуществами.

Дополнительное пояснение:

На рис. 35 пунктирной линией показано распределение частиц до начала накачки (равновесное распределение Больцмана), а сплошными линиями, то распределение, которое устанавливается внутри полос S 1 и S 0 после накачки за время внутриуровневой релаксации и свидетельствующее о факте возникновения инверсии между частью подуровневой полосы S 1 и S 0 .

Способы возбуждения (накачки) жидкостных лазеров .

Лазеры на растворах красителей работают с оптической накачкой .

Важной особенностью является то, что импульс не должен превышать время межуровневой релаксации S 1 → T 0 , то есть быть не более 10 -6 с . При коротком импульсе переходы S 1 → T 0 не успевают проявиться. Для накачки используют как лазеры (лазерная накачка), обычно работающие в режиме модуляции добротности (τ генерации ~ 10 -8 ÷ 10 -9 с ), так и специальные лампы накачки (в частности, коаксиальной конструкции, имеющие малую индуктивность), излучающие короткие импульсы.

При лазерной накачке (например, с помощью рубинового лазера) с модуляцией добротности (особенно, для фталоцианиновых красителей), неодимового лазера с модуляцией добротности (для полиметиновых красителей), азотного лазера (λ ~ 3000Å ) различают 2 варианта:

  1. Продольная накачка :

  1. Поперечная накачка :

При ламповой накачке используют, в частности, коаксиальные лампы.