Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Но с помощью ряда достаточно простых мер по стабилизации можно добиться практически любой желаемой точности частоты до указанного выше предела. 3.4. Высокомощные лазеры Следует различать данные мощности для непрерывных и импульсных систем, причем в импульсном режиме генерации, как правило, достигаются значительно более высокие показатели. Чаше всего используются такие высокомощные установки3, как СО,- и твердотельные лазеры, особенно !Чд: ИАГ-лазер (на алюмоиттриевом гранате, легиро- ванном неодимом), которые находят широкое применение, в частности, в обработке материалов, а при меньшей мощности — в хирургии. Обычные СО,-лазеры коммерческого назначения с длиной волны 10,6 мкм приближаются к диапазону мощности в!00 кВт, в то время как Хд: ИАГ-лазеры с длиной волны 1,06 мкм предлагаются с мощностями порядка 5 кВт.
Излучение Хд: ИАГ-лазера можно передавать через стеклянные лазеры, что дает значительное преимущество по сравнению с СО,-лазерами. С помощью импульсных лазеров на стекле с неодимом в период их максимальных мощностей достигается около 10 тераватт (ТВт) = 10 о ватт с длительностью излучения порядка 1 нс = 1О-' сек. Столь высокие мощности необходимы, например, для предварительных исследований в сфере инициированного лазерным излучением ядерного синтеза и могут быть реализованы лишь в немногих лабораториях мира, так как для этой цели требуются очень большие установки.
При изучении ядерного синтеза используются также крупные СО,— и йодные лазерные системы. Подобные высокие импульсные мощности получают и с помощью лазеров со сверхкороткими импульсами (например, на Т)-сапфире) при длительности импульсов до единиц пикосекунд (пс) и фемтосекунд (фс). При стандартном настольном исполнении можно с помощью твердотельных лазеров реализовать в импульсном режиме мощности в несколько гигаватт (ГВт) = 10' ватт. Лазеры на эксимере получили в последнее время бурное развитие, так что сейчас у них вполне достижимы такие же средние мощности, что и с помощью твердотельных лазеров. Напомним, однако, что здесь пока возможен исключительно импульсный режим работы. К преимушествам же можно отнести значительно более короткую длину волны, благодаря чему удается эффективно влиять на механизмы взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами.
В то время как, например, в сфере обработки материалов с применением твердотельных и СО,-лазеров особую роль играют преимущественно тепловые процессы, в случае лазеров на эксимере возможно прямое разрушение химических связей. В результате этого удается в пластмассах или в глазу пациента выполнять чрезвычайно тонкие разрезы — без термического изменения материала рядом с краем разреза. Максимальные непрерывные мощности в несколько мегаватт (МВт) = 10' ватт достигаются химическими НГ- или РГ-лазерами. Установки такого рода создаются, в частности, для проведения исследований в области ракетного оружия, на практике же почти не находят применения. Также и другие лазерные системы (например, лазеры на свободных электронах) в рамках военной программы запроектированы с расчетом на высокие мощности, но дальнейшего распространения пока не получили. Широкое и разнообразное применение должны найти в будущем высокомощные полупроводниковые лазеры — не в последнюю очередь, благодаря их компактному исполнению, высокому кпд и длине волны около 800 нм, что весьма удобно при передаче информации по стекловолокнам.
До сих пор достигались мощности порядка 1 кВт. Получаемая при этом расходимость пучка пока еше довольно велика, то есть качество излучения остается невысоким. Тем не менее, и здесь уже есть обнадеживающие результаты, позволяющие рассчитывать на неплохую перспективу, (н г з.т .р ° 3.5. Сверхкороткие световые импульсы Лазеры (например, с длиной волны 800 нм) могут генерировать сверхкороткие световые импульсы — до 1 фемтосекунды (фс): 10 " сек.
Спектральный анализ короткого импульса дает полосу частот ~зг", связанную с шириной импульса т посредством следующего уравнения; т =) (3.4) 2яф' Вместо множителя 1/2я здесь иногда выбирается зависимая от формы импульса постоянная, которая может принимать значения от О,! до 1. В результате генерации высших гармоник в газах могут быть представлены еще более короткие импульсы — в аттосекундном диапазоне (1 ас = 1О-" сек), причем энергия фотона примерно равна 100 эВ, а длина волны составляет около 15 нм. Отсюда следует, что для генерации короткого светового импульса годятся только лазеры, обладающие широкими спектральными зонами излучения.
По этой причине в настоящее время самые короткие импульсы генерируются Т)-сапфировыми лазерами (раньше — лазерами на красителях), накачка которых осуществляется с помощью лазеров на неодимовом стекле с удвоенной частотой либо аргоновых лазеров в зеленой области спектра. Титан-сапфировый лазер функционирует не на основе определенной частоты излучения, а на выводе множества продольных мод, что дает широкий спектр частот. В силу пассивной синхронизации мод (см.
главу 17) устанавливается единая фаза мод, так что вследствие перекрытия получается короткий импульс шириной всего в несколько фемтосекунд. С лазерами на красителях возможно достижение длительности импульсов порядка 20 фс. Для дальнейшего укорочения импульсов можно прибегнуть к их сжатию (см. здесь п.17.5). Также и на основе синхронизации мод других лазеров могут генерироваться короткие световые импульсы, но — при малой ширине линий — получаемая длительность импульсов будет больше. С помощью лазеров на стекле с неодимом возможно достижение длительности импульсов порядка 10 "секунды = 1 пикосекунды (пс), а посредством газовгях лазеров — до 100 пс. Короткие лазерные импульсы позволяют изучение быстро протекающих процессов — в биологии, химии и технике. Здесь уместно вспомнить о временной микроскопии высокого разрешения. В фемтосекундном диапазоне разработанные для этой цели методы не имеют себе равных, поскольку электрическая измерительная техника ограничена пикосекундными единицами и более долгим временем срабатывания.
З.б. Параметры лазеров Наряду с такими характеристиками лазеров, как: — длина волны, частота, — мощность, энергия и — длительность импульсов, имеются и другие важные параметры, которые будут рассмотрены ниже. Это: З.б.Пр р р ~Д7 Молекулы, вращательные н колебательные переходы (см. главу б), атомы Инфракрасное излучение Видимое излучение Атомы и ионы, электронные переходы (главы 4 и 5) Ультрафиолетовое излучение Молекулы, электронные переходы (глава 7) Ионы, электронные переходы (главы 5 и 11) Рентгеновское излучение — коэффициент полезного действия, технические затраты, — профиль пучка, структура поперечных мод, пространственная когерентность, — расходимость пучка, фокусируемость и — поляризация, немаловажное значение имеют и свойства стабилизации, подробно рассматри- ваемые в главе 20; — стабильность амплитуды (кратковременные флуктуации, долговременный дрейф непрерывных лазеров), — амплитуды импульсов, длительность импульсов и изменения формы им- пульсов у импульсных лазеров, колебания частоты следования импульсов («дро- жание»), — стабильность частоты, ширина линии, временная когерентность, — стабилизация по направлению, стабилизация по поляризации.
Знание перечисленных параметров абсолютно необходимо для практического применения лазеров, ибо только при этом условии можно надеяться на удовле- творительные результаты. Помимо прочего, обязательным является принятие во внимание и ряда экономических факторов, в том числе: расходы на приобретение материалов и техническое обслуживание, срок службы, необходимые профилак- тические работы и т. п. Лазеры с самыми разными свойствами производятся и продаются многочислен- ными фирмами. Обзор поступающих на рынок предложений можно получить из указанных в списке литературы специальных журналов, где практически ежегодно публикуются спецификации лазерных установок и принадлежностей с указанием их производителей.
Конструктивное исполнение лазеров требует владения ноу-хау из области точ- ной механики, оптики и электроники, а в случае газовых лазеров — еше и опыта работы с вакуумной техникой. При наличии такого уровня знаний вполне можно попытаться изготовить лазер собственными силами. Более затратная технология потребуется для выращивания лазерных кристаллов, а также изготовления полу- проводниковых слоев для инжекционных лазеров. Понятно, что создание крупных и надежно работающих лазерных установок возможно только промышленными методами. Приведенные далее главы посвящены подробному обсуждению всех типов лазеров.
Так, газовые лазеры способны функционировать в очень широком диа- пазоне длин волн — от дальнего ИК-диапазона до зоны мягкого рентгеновского излучения. Для разных областей спектра выбираются подходящие газы, содержа- щие следующие частицы: ~~~78 Глава 3. Таам лазерав По сравнению с ними, твердотельные, полупроводниковые лазеры и лазеры на красителях (главы 9 — 10) ограничены преимущественно областями спектра от видимого до инфракрасного.
Электронно-лучевые лазеры (глава 11), в общем, пригодны для столь же широкой области спектра, что и газовые лазеры, но до сих пор с их помощью удавалось получить излучение лишь в ограниченных видимых и инфракрасных областях спектра. ЗАДАЧИ 3.1. Твердотельный лазер посылает импульсы длительностью 0,5 мс с 1О мДж.
(а) Какова будет импульсная мощность? (б) Как возрастет импульсная мощность при укорочении импульсов до 5 нс (модуляция добротности)? (в) Какова величина средней мощности при частоте повторения импульсов 100 Гц? 3.2. Докажите уравнение Ц/1= — Ы/Х, 3.3. Как велики относительные диапазоны перестройки (а) аргонового лазера и (б) лазера на красителе? Используйте таблицу 2.2.
3.4. Какой должна быть мощность импульсного твердотельного лазера, фокусируемого на диаметр 5 мкм, чтобы возникла напряженность поля 1О" В/см? (Это значение превышает напряженность поля, воздействующего в атомах на электроны). 3.5. Какова самая малая длительность импульсов т, генерируемых лазером на красителе (см. таблицу 2.2)? ГЛАВА 4 ЛАЗЕРНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В Н ЕЙ ТРАЛ ЬН ЫХ АТОМАХ Атомы излучают множество линий в видимой области спектра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
