И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Первая особенность — весьма малая расходимость лазерного излучения. Если, например, диаметр лазерного пучка ! см, а длина волны 5 1О ' см, то угол расходимости составляет всего лишь 5 х х 1О ' рад, или 0,003'. С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 0,5 мкм (для видимого света). При этом угол расходимости уменьшается до 10 ' рад. Если такой луч послать на Луну, то он высветит на ее поверхности круг диаметром 30 м. Вторая особенность лазерного излучения — высокая монохроматичность, т.
е. практически излучение имеет одну- единственную частоту и соответствующую ей одну-единственную длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном пучке одинаковая энергия. Но все же при лазерном излучении наблюдаются флюктуации частоты, за счет того что .некоторая, очень небольшая часть атомов дает спонтанное излучение, некогерентиое с основным излучением. Поэтому лазерное излучение занимает очень узкую полосу частот, примерно 10 ' Гц. Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излучения от сколь угодно длительных до сверхкоротких (всего лишь 10 '~ — 10 'в с) импульсных вспышек. Импульсы света такой малой длительности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огромную мощность.
Современные лазеры излучают в одном импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей. Это соответствует мощности, во много раз большей, чем у крупнейших электростанций. Например, если энергия импульса 10з Дж, а его длительность 10 'з с, то мощность равна 10ь Дж/10 'з с =!О'в Вт = 10'в МВт.
Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, освещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких температур. Интенсивность сфокусированного лазерного пучка может быть 10зв Вт/смз и более, и при этом напряженность электрического поля в луче достигает 10" В/см. Под действием такого сильного поля у многих веществ происходит ионизация атомов: они расщепляются на электроны и положительные ионы. 12.4.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛАЗЕРОВ В настоящее время существует множество лазеров разного типа. Они различаются активной средой и способом накачки. В качестве активной среды используются твердые, жидкие и газообразные вещества, а из многих способов накачки наиболее универсальны оптическая и накачка с помощью электрического разряда в самой активной среде. Следует отметить, что накачка может быть непрерывной или импульсной. Последняя удобна для получения импульсного лазерного излучения и выгодна, в частности, тем, что активная среда меньше нагревается н, следовательно, облегчается ее охлаждение.
Рассмотрим основные типы лазеров. Твердотельные лазеры. Активная среда — диэлектрический кристалл или специальное стекло. Возможность лазерного излучения существует у нескольких сотен различных диэлектрических кристаллов. Примером твердотельного лазера может служить лазер на рубине, исторически первый и широко используемый в настоящее время. Рубин представляет собой оксид алюминия с примесью ионов хрома.
Лазер на рубине дает излучение темно-красного цвета с длиной волны около 0,69 мкм. Различные стекла для лазеров активируют редкоземельными элементами. Генерируемое излучение у лазеров на стеклах может быть с разной длиной волны, в частности 1 мкм. Для твердотельных лазеров применяют исключительно оптическую накачку, например в виде излучения газоразрядных ламп (ймпульсных или непрерывного горения) или ламп накаливания. Источником накачки может быть вспомогательный лазер. Жидкостные лазеры. В качестве активной среды чаще всего используются растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов.
Известны несколько сотен различных органических красителей, пригодных для лазерной генерации. Оии позволяют получать излучение с длиной волны от 0,3 до 1,3 мкм, т.е. от ультрафиолетового до инфракрасного. Для жидкостных лазеров применяют непрерывную или импульсную оптическую накачку от вспомогательного лазера или~ от газо- разрядной лампы. Газовые лазеры. Существует много разновидностей. Одна из них — фотодиссоционный лазер.
В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (распадаются) на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для лазерного излучения. 179 Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1 — 10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым (см. гл, 21) и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10 — 50 МГц). Имеется несколько типов газоразрядных лазеров.
В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока. Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4 — 100 мкм. Пример— гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст, Для накачки служит тлеющиц разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В. К газорязрядцым относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул.
Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм. Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СОз-лазер). Он может давать в непрерывном режиме мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД— около 40%. К основному углекислому газу обычно еще добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный.
Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм. Схематически он показан на рис. 12.2. Разновидность СОз-лазеров — газо- динамические. В них инверсная населенность„ необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20-30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, 180 А (г 'яглучеяие Со чА! Рис.
12.2. Принцип устройства СОз-лазера а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт. К молекулярным относятся так называемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.) либо его соединение с хлором или фтором. В таких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энергией в сотни килоэлектрон-вольт).
Излучаемая волна получается наиболее короткой„ например у лазера на аргоне 0,126 мкм. Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью ионизирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем (рис. 12.3). Ионизирующим излучением служит поток быстрых электронов либо ультрафиолетовое излучение. Такие лазеры называют электроионизациониыми, иногда лазерами иа сзюа>ном газе. Возбужденные молекулы газа за счет энергии химических реакций, получаются в химических лазерах. Здесь используются смеси некоторых химически активных газов (фтор, хлор, водород, хлористый водород и др.).
Химические реакции в таких лазерах должны протекать очень быстро. Для ускорения применяются специальные химические ре- Ионизируюшее излучение лэе еяие Рис. !2.3. Элсктроионизационная накачка агенты, которые получаются при диссоциации молекул газа под действием оптического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. Примером химического лазера может служить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа. Особый тип газового лазера — плазменный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (магний, барий, стронций„кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ.
Длительность импульсов 0,1— 1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волнуя 0,41 — 0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой области. Полупроводниковые лазеры. Хотя они являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.
Сугцествует два типа полупроводниковых лазеров. Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией 50 — 100 кэВ. Возможна также оптическая накачка. В качестве полупроводников используются арсенид галлия ОаАз, сульфид кадмия СЖ или селенид кадмия Сс(Бе. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, отчего лазерное излучение ухудшается.
Поэтому такие лазеры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К. Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 12.4) или продоль- ПолупроВлднин Рис. 12,4. Поперечная накачка электронным пучком Пуннн эленпзрлннВ Излучение Понупрлулднин Рис. 12.5. Продольная накачка электронным лучком ие Рис. 12УК Принцип устройства иижекциои- ного лазера иой (рис. 12.5). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы н играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. Прн продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера — лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.
Второй тип полупроводникового лазера — так называемый иимсекционный лазер. В нем имеется и — р-переход (рис. 12.6), образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация и донорных, и. акцепторных примесей составляет 1О'и†10'Я см з. Грани, перпендикулярные плоскости и — р-перехода, отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается прямое напряжение, под действием которого понижается потенциальный барьер в и — р-переходе и происходит инжекция электронов и дырок.
В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение. Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия. Излучение имеет длину волны 0,8 — 0,9 мкм, КПД 181 довольно высок — от 50 до 60'7,. Миниатюрные инжекционные лазеры с линейными размерами полупроводников около 1 мм' дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме могут иметь мощность до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлаждения. Следует отметить, что в устройстве лазеров имеется много различных особенностей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
