Справочная книга по светотехнике

ЛАЗЕРЫ

Лазеры представляют собой генераторы оптическо­го излучения, обладающего совершенно уникальными свойствами: 1) высокой когерентностью в пространст­ве и во времени, 2) исключительно узкой направлен­ностью (расходимость пучка может быть близкой к дифракционному пределу), 3) огромной концентра­цией мощности (до 1011 Вт/см2 в непрерывном режиме и до 101Х Вт/см2 в импульсе), 4) высокой степенью мо­нохроматичности (спектральная ширина линии генера­ции ДА. = 10_Ч нм нри X = 500 пм), 5) способностью фо­кусироваться в исключительно малые объемы порядка Xі |3.53). Слово «лазер» образовано из первых букв анг­лийских слов: Light Amplification by stimulated emission of radiation (усиление света при помощи вынужденного излучения). Строго говоря, аббревиатура «лазер» в на­чале относилась к оптическим генераторам света, но для удобства образования сложных терминов слово «лазер» стали применять ко всему диапазону оптиче­ского спектра: УФ, видимому и И К. Фундаментальный вклад в эту новую бурно развивающуюся область пауки и техники, называемую квантовой электроникой, вне­сли советские ученые. Первые лазеры были созданы в 1960 г. В 1959 г. за разработку нового принципа генера­ции и усиления радиоволн, создание молекулярных ге­нераторов и усилителей академикам Н. Г. Басову и

А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. они совместно с американским ученым Ч. Та­унсом за фундаментальные исследования в области квантовой электроники были удостоены Нобелевской премии по физике.

Принцип действия лазеров основан на использова­нии теоретически предсказанного А. Эйнштейном еще в 1916 г. процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием ихтучения, имеющего ту же частоту. Самос важное и замечатель­ное в этом процессе то, что фотон, возникший при вы­нужденном испускании, совершенно тождественен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, ча­стоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики jro означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив ДЛЯ все- 10 спектра электромагнитного излучения.

Вынужденное излучение в оптическом диапазоне спектра в обычных условиях значительно меньше спонтанного и поэтому практически не наблюдалось. В 1940 г. В. А. Фабрикант предложил метод прямого до­казательства существования вынужденного излучения и при этом впервые обратил внимание па принципи­альную возможность создания среды, не ослабляющей, а усиливающей проходящее через нее излучение [3.54J. Для этого необходимо было создать такие искусствен­ные условия, при которых концентрация возбужден­ных атомов или молекул на каком-либо верхнем энер­гетическом уровне была бы больше, чем их концентра­ция па каком-либо нижнем, соответствующем оптиче­скому переходу между ними. Такая необычная «засе­ленность» энергетических уровней называется инверс­ной, так как в обычных условиях концентрации возбу­жденных атомов или молекул резко убывают с ростом энергии возбужденного уровня.

Среда с инверсной заселенностью называется ак­тивной. Ихтучение с частотой, соответствующей ин­версному переходу, проходя через активную среду (АС), вызывает лавину вынужденных фотонов, «летя­щих» строго п одном направлении, и вместо обычного ослабления получается усиление ихпучепия в направле­нии падающего луча. Эта идея лежит в основе много­численных процессов квантовой электроники. Госу­дарственный комитет по делам изобретений и откры­тий СССР выдал В. А. Фабриканту. М. М. Вудынскому и Ф. А. Бутаевой диплом на открытие за № 12 с прио­ритетом от 1951 г. «па способ усиления электромагнит­ного излучения (ультрафиолетового, видимого, инф­ракрасного и радиодиапазонов волн), основанный па использовании явления индуцированного испускания».

Принципиально важным шагом в создании лазеров явилось предложение А. М. Прохорова поместить ак­тивную среду в оптический резонатор (ОР), что в зна­чительной мере определило уникальные свойства ла­зерного ихіучения [3.55]. В простейшем случае ОР представляет собой две отражающие поверхности, об­ращенные друг к друї'у, обеспечивающие многократное прохождение ихтучения через АС и за счет этого его резкое усиление. Максимальное усиление получают лучи, наибольшее число раз прошедшие через АС, вследствие чего резко увеличивается мощность выходя­щего лазерного излучения, и оно становится остропап - равлеппым, сохраняя при этом высокую когерентность. Для выхода излучения одну из поверхностей ОР делают частично прозрачной или с отверстием. Из-за интерфе­ренции в ОР усиливаются только те ихпучения, длины волн которых образуют стоячие волны, благодаря чему выходящее лазерное излучение становится высокомо - нохроматичным. Помещение АС в ОР обеспечивает возможность перехода от режима усиления ихтучения к режиму генерации. Для этого необходимо, чтобы поте­ри ихіучения при одном цикле прохождения через сис­тему (отражения в ОР, рассеяния и др.) были меньше его усиления в АС. Возбуждение АС может создаваться за счет подвода энергии извне или при выделении сс в химических или ядерных процессах. Перевод лазерного вещества в активное состояние называется накачкой. Для каждой конкретной конструкции ОР и лазерного вещества существуют свои минимальные пороговая мощность накачки (в непрерывном режиме работы си­стемы) и пороговая энергия накачки (в импульсном ре­жиме), ниже которых генерация невозможна. Мощ­ность (энергия) генерации растет с мощностью (эпер - гией) накачки, однако, как правило, наступает насы - шснис этой зависимости [3.56J.

Пространственная когерентность характеризует сте­пень изменения фазы на всем протяжении волнового фронта в определенный момент времени. Нелазерные источники света обладают плохой пространственной когерентностью. У лазерного пучка пространственная когерентность связана с его модовой структурой. Она имеет наибольшее значение у одномоловою излучения и обеспечивает более равномерное освещение. Лазер­ный пучок хорошо сколлимирован, и поэтому все его ихтучение легко собрать с помошью оптики.

Ограничение на угол расходимости 0 лазерного пучка накладывается дифракцией. Оно является прин­ципиальным. Преодолеть его путем совершенствования оптики невозможно. Дифракция определяет нижний предел угла расходимости пучка, приближенно опреде­ляемого формулой

Q-КХ/d,

где X — длина волны излучения, d — диаметр выходной апертуры, К — числовой коэффициент, равный 1,22 для однородных пучков, и 2 / к дли гауссовых пучков. Лазерные пучки с минимальной расходимостью назы­ваются дифракционно ограниченными. Расходимость некоторых лазеров приведена в табл. 3.53.

Лазеры генерируют излучение высокой мощности, испускаемое с единичной плошали в единичном телес­ном угле, т. е. являются источниками очень высокой яркости. Например, в лазере на стекле с неодимом с дифракционным оірапичепием расходимости пучка лу­чистая яркость достигает 2 - Ю17 Вт/см2 ср. Для сравне­ния отметим, что лучистая яркость солнца составляет '130 Вг/см2 ср.

Достижимое значение плотности мощности лазер­ного пучка определяется размерами пятна, в которое может быть сфокусирован пучок. Всегда существует минимально достижимый размер пятна, определяемый дифракцией. Кроме того, для любой оптической систе­мы существует конечный предел остроты фокусировки, который также называется дифракционным. Он опре­деляет минимальную площадь фокального пятна, а сле­довательно, и максимально достижимую облученность.

Лазерный луч характеризуется такими свойствами, как монохроматичность, из-за возможности создания узкой спектральной линии, направленность, из-за хо­рошей коллимации пучка, когерентность, временные характеристики, яркость, характеристики фокусиров­ки, максимально допустимая мощность лазерного из­лучения. Волновой фронт лазерного пучка не подвер­жен хаотическим изменениям во времени и простран­стве, т. е. излучение лазера когерентно. В табл. 3.54 для примера даны значения яркости некоторых лазеров и дуговой лампы. Видно, что эти значения у лазером па несколько порядков выше, чем у лампы.

Г а б. т и и а 3.54

Лазер состоит из трех основных умов: излучатыя, системы накачки и источника питания, а также вспо­могательных устройств, обеспечивающих его нормаль­ную работу и управление лазерным излучением. Излу­чатель предназначен для преобразования энергии па- качки в лазерное ихтучение. Он может содержать один или несколько лазерных элементов, помещенных в ОР. Активный элемент (АЭ) является основной функцио­нальной частью ихіучатсля, содержащей лазерное ве­щество, в котором в процессе накачки может быть со­здана АС. Лазерное вещество может находиться в плаз­менном, газообразном, жидком и твердом состояниях. Соответственно различают следующие типы лазеров: плазменные, газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые.

Оптический резонатор в общем случае представляет собой систему отражающих, преломляющих, фокуси­рующих и других оптических элементов, в пространст­ве между которыми моїуі возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля. Он должен иметь минимальные потери на поглощение в рабочей части спектра (коэффициент отражения одной из по­верхностей часто бывает выше 0,99) и высокую оптиче­скую точность узлов и их установки относительно друг друга.

Системы накачки — это совокупность элементов, предназначенных для преобразования энергии и пере­дачи сс от внешнего источника к АЭ. Накачка осущест­вляется несколькими способами: 1) электрическим

разрядом (газовые лазеры), 2) оптическим ихчучепием (твердотельные и жидкостные), 3) ипжекцией — «впрыскиванием» электронов в р—л-переход (полупро­водниковые). 4) пучком ускоренных электронов (все типы лазеров). Существуют также лазеры с другими ти­пами накачки: газодинамические, химические, ядер - ные. на свободных электронах и пр. Для накачки твер­дотельных лазеров используются дуговые и импуль­сные лампы в кварцевой оболочке. Сильноточные раз­ряды в инертных газах, инициируемые электрическим

нарывом металлических проволочек, применяются для накачки лазеров с длительностью импульсов порядка 50—100 мке. С их помощью возбуждаются в основном фотодиссопионные. химические и некоторые эксимер - ные лазеры. В последних в качестве АС используют эк - симеры - возбужденные электронным уларом молеку­лы Аґ2- Кг2. ХЄ2; эксиплексы типа ArF*: тримеры типа K^F* и др. Лазерное излучение в этих газах основано на переходах из связанного состояния в виде возбуж­денных молекул (существующего ~10“12 с) п свободное с испусканием фотона и диссоциацией на агомы. Более короткими импульсами (-0,1-10 мке) возбуждаются лазеры па красителях.

В качестве источников накачки разных лазеров применяют также устройства на основе сильноточных разрядов: различного рода пинчевые разряды [3.58] (пинч-эффект: сжатие разряда в поперечном направле­нии за счет взаимодействия тока разряда с создавае­мым им магнитным нолем), разряд магпитоплазменно - го компрессора (устройство стационарного сжатия плазменной струи под действием собственного азиму­тального магнитного поля), разряд по поверхности ди­электрика, ударные волны, движущуюся плазму, като- долюминесцентпые приборы.

Большой популярностью в качестве источников накачки пользуются электронные пучки, с помощью которых получена лазерная генерация на молекуляр­ных и атомных газах, эксимерах, парах красителей, химических средах, кристаллах и стеклах, полупро­водниках. неорганических жидкостях. Накачка элект­ронным пучком перспективна для получения больших мощностей когерентного излучения, для исследования генерации новых АС, особенно для создания лазеров, излучаюших вакуумный улырафиолет и рентгенов­ские лучи [3.58|.

В лазерах на свободных электронах (ЛСЭ) исполь­зуется коллективное взаимодействие электронного пучка и электромагнитной волны. При выполнении условия авторезопанса частицы находятся в синхро­низме с полем. Длина волны излучения связана с пе­риодичностью магнитного поля и может непрерывно перестраиваться в широком диапазоне спектра измене­нием энергии электронов. Для этих лазеров требуются ускорители элекгронов определенных типов.

Существуют проверенные возможности накачки ла­зеров излучением, возникающим с помощью импуль­сного или непрерывного наїрева металлических фолы до температур, близких к температурам их плавления (2500-3000 К.). Есть способ накачки ихпученисм, воз­никающим при горении металлов или газов. При этом отпадает необходимость в источнике электропитания [3.59].

Одним из перспективных путей использования сол­нечной радиации является преобразование ее в лазер­ное ихіученис. В качестве АС можно применять твер­дые тела, жидкости и газы. Светооптическая система накачки в этом случае состоит из параболического или сферического зеркала, в фокусе которого размещается АЭ. Его накачка осуществляется через торец или боко­вую поверхность. Солнечная накачка перспективна для лазеров, работающих в космосе.

Режим работы лазеров бывает непрерывным, им - пульсно-периодическим и импульсным. Лазеры непрерыв­ного действия характеризуются мощностью луча; им­пульсно-периодические — импульсной мощностью, длительностью и энергией импульсов и частотой их по­вторения: импульсные — мощностью, ,иіительностью и энергией импульса. В непрерывном и импульсно-пе - риодическом режимах увеличение мощности луча обычно ограничивается возможностями отвода тепла, выделяющегося в АЭ [3.60]. При этом количество тепла определяется не импульсной, а средней мощностью. В режиме одиночных импульсов предел мощности оп­ределяется, главным образом, стойкостью лазерных ма­териалов к мощному световому ПОЛК) [3.611.

Импульсные лазеры могут работать в нескольких режимах. В режиме свободной генерации импульс ла­зерного излучения возникает под действием импульса накачки в его начале и прекращается па его спаде. Поэтому длительность лазерного излучения в значи­тельной степени определяется длительностью импуль­са накачки. Лазеры с относительно большой продол­жительностью жизни возбужденного уровня моїут ра­ботать в режиме с модуляцией добротности резонато­ра (МДР). Он основан па быстром изменении потерь в резонаторе лазера. Принцип МДР заключается в том, чтобы допустить развитие генерации лишь тогда, когда достигнут максимум инверсной населенности. Генерация происходит с начальным усилением, на­много большим порогового значения. Такой режим обеспечивается с помощью расположенного внутри резонатора затвора, открывающегося лишь для прохо­ждения излучения, когда достигнут максимум инвер­сии населенностей. При этом потери и добротності) резонатора регулируются. С этой целью в ОР вводится элемент, мгновенно в нужный момент отпирающий ОР перед самым концом импульса накачки, благодаря чему удается накопить большую концентрацию возбу­жденных частиц па верхнем уровне и увеличить мощ­ность лазерного излучения. Но КПД лазера при этом снижается [3.62. 3.63].

Основные генерационные параметры наиболее рас­пространенных лазеров приведены в табл. 3.55. Они были рассчитаны по приближенным формулам [ 3.631:

v = 3• 1014 /X Гц; v/с = 104 /А. см-1;

Av = 1986 Ю-12 / X эрг = 1,986 • 10-14 / А. Дж =

= 5,52 • 10-24 / X кВт - ч; NАИ> = 28.5/А. ккал/моль;

hv / к = 1430АГ / X: Ау=1,24ДэВ с использованием известных соотношений:

Xv = c; eV=hv=hc/X.

Здесь А — постоянная Планка, NA — постоянная Аво - гадро, к — постоянная Больцмана.

Табл и на 3.55

Газовые лазеры могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн — от 100 нм до 1,965 мм. Их излучение обладает наименьшими углами рас­ходимости, наибольшей монохроматичностью и ста­бильностью частоты. Они могут работать как в им­пульсном, так и в непрерывном режимах. Недостатком является значительно меньшая мощность излучения с единицы объема АЭ, чем у твердотельных или жидко­стных лазеров. В промышленных типах лазеров накач­ка АЭ осуществляется, главным образом, электриче­ским разрядом. Существует три основных типа газораз­рядных лазеров: 1) атомарный, в котором используют­ся лазерные переходы между энергетическими уровня­ми возбужденных нейтральных атомов (излучение в И К - и частично в видимой области), 2) ионный — на возбужденных ионах (УФ - и видимая области) и 3) мо­лекулярный — на возбужденных молекулах (ИК-об - ласть). Типичными представителями лазеров первого типа являются гелий-неоновые, второю — ионные (ар­гоновые) и третьего — лазеры на СО2. Существует так­же много лазеров каждого типа па других газах, парах и смесях [3.64-3.66].

Гелий-неоновый лазер представляет собой стеклян­ную трубку диаметром 1—5 мм, длиной 0,3—2 м, напол­ненную смесью Не с Ne до давления 100—400 Па и по­мещенную в ОР (рис. 3.137, а). Лазерная накачка осу­ществляется в разряде па постоянном токе или па СВЧ (200 МГц). Атомы Не возбуждаются при соударениях с быстрыми электронами и, сталкиваясь с атомами Nc, передают им свою энергию (рис. 3.137,6). Индуциро­ванное излучение возникает в близкой И К (около 1,15 мкм) и красной (около 0,63 мкм) областях спектра.

Ионные лазеры яшшются наиболее мощными источ­никами лазерного излучения в видимой и УФ-областях спектра. Практический интерес представляют лазеры с излучением голубых линий ионизованного аргона (Аг II). Значительно реже применяются лазеры с излу­чением красной (647 нм) и желтой (521 нм) линий Кг II, голубой (442 нм) и УФ-линий Cd 11, Ne 11, Ar III, Kr III. Сильная (двух - и трехкратная) ионизация созда­ется в разряде путем пропускания постоянного тока большой плотности (до 300-500 А/см2) через длинный (30—70 см) капидляр (02—3 мм) из материала с высо­кими нагревостойкостью и теплопроводностью, напри­мер, бсриллисвой керамики. Применяют также набор графитовых шайб, разделенных изолирующими коль­цами [3.66]. Для увеличения нлотпости тока разряд осуществляют в продольном магнитном ноле (до 105 А/м). Разрядное устройство охлаждается проточной дистиллированной водой. Поток электронов и капил­ляре увлекает за собой газ от катода к аполу. Чтобы обеспечить обратную циркуляцию газа, анодный конец капилляра за пределами разрядного капала соединяют с катодным при помощи трубки (рис. 3.138) или другим путем.

Лазеры на парах меди используются для разделения изотонов и для связи подводных лодок с надводными и космическими кораблями. В схеме рабочих уровней атомов медного лазера два близко расположенных уровня 2Р1/2 и 2Рі/2 эффективно возбуждаются элект­ронным ударом (рис. 3.139) и имеют приблизительные значения сечений возбуждения 9,7 10 16 см2 для 2Р3/2 и 4,5 10 16 см2 для 2Р[/2' что выше, чем у всех подоб­ных металлов. Генерация происходит па переходах с этих уровней на мегастабильные уровни 2П>з/2 и 2D5/,2.

Времена жизни верхних уровней велики и силу пле­нения излучения и составляют в реальных условиях около 800 и 400 не.

Генерация па парах мели была получена при темпе­ратуре 1500°С (давление паров меди 0,4 мм рг. ст.),

Мощность генерации зеленой линии (510,5 нм) выше, чем желтой (578,2 нм). Длительность импульса генера­ции -5-Ю не, пиковая мощность 200 кВт. При частоте повторения импульсом 20 кГц средняя мощность гене­рации -40—50 Вт.

Жесткий температурный режим работы керамиче­ской разрядной трубки из А120з и ВеО, внутри которой находится нагретая рабочая смесь, требует определен­ных мер по технике безопасности.

Молекулярные лазеры. Существует около ста раз­личных лазерных систем, которые обеспечивают выход лазерного излучения примерно на 400 переходах в УФ - диапазонс спектра 200—400 пм и в области вакуумного УФ (А.<200 пм). Генерация в вакуумном УФ была впервые получена при возбуждении конденсированно­го ксенона пучком быстрых электронов и в газовом разряде. Лазеры с излучением в вакуумном УФ созданы на Н2, П2, HD.

Азотный (N2-) лазер является высокомощным лазе­ром в УФ-диапазоне с коротким временем нарастания импульса накачки и высокой частотой повторения им­пульсов (1-Ю4 Гц). Он применяется для накачки лазе­ров на красителях, в спектроскопии, фотохимии, при обработке материалов.

Лазерное излучение с А. = 337,1 нм генерируется при переходе между колебательными уровнями различных электронных состояний в триплстной системе ней­трального молекулярного азота (вторая положительная система): С3Пи->В3Пё.

Из-за малого времени жизни верхнего лазерного уровня (-40 не) инверсия населенностей достигается только при возбуждении короткими импульсами (<15 не), а максимальная частота повторения импуль­сов составляет -100 Гц. Более высокая частота импуль­сов генерации требует быстрой замены газа. Схема им­пульсного азотного лазера приведена на рис. 3.140.

50-600 кВ ' у ' 2 ' j '

а)

■ ■ т Щ-Ц

б)

Рис. 3.140. Схематическое изображение конструкции ^-лазера: а — коаксиальное возбуждение; б — возбужде­ние электронным пучком (в частности, и для М2-лазера); / — накопитель энергии; 2 — зеркало со 100-процентным отражением; 3 — лазерная трубка; 4 - источник электрон­ного пучка; 5 — охлаждающая вода

Лазеры на COj и СО являются наиболее мощными генераторами излучения в ИК-области спектра и обла­дают высокими КПД. Длина волны излучения лазера па С02 соответствует 10,6 мкм. Для повышения эффек -

тивности генерации к СО2 добавляют азот и гелий, а также пары волы.

Активный элемент отпаянных лазеров на СО2 пред­ставляет собой охлаждаемую водой стеклянную трубу большой длины, внутри которой происходит разряд. Давление газов 0.1-1 кПа. Мощность луча н непрерыв­ном режиме — несколько сот Вт. Продольно-прокач - ные лазеры (с прокачкой газа вдоль грубы) дают мощ­ности излучения порядка 1 кВт. Попсречно-прокачпыс обеспечивают сше большие мощности генерации, по­рядка нескольких десятков кВт. Они работают с попе­речной по отношению к направлению луча прокачкой газа и с поперечным разрядом при давлениях около

0. 1 МПа. Повышение давления позволяет сократить длину оптически активного участка до 0.5—1 м.

СО-лазср является выскомошным ИК-лазсром с излучением в диапазоне длин воли 5-6 мкм. работаю­щим в непрерывном или импульсном режимах с очень высоким КПД 40—50%. Однако эффективный режим работы требует охлаждения газа до температуры <100 К, поэтому области его применения несколько ограничены по сравнению с СО^-лазсром, несмотря па сопоставимые характеристики.

Из класса эксимерных наиболее важны лазеры на галогенидах инертных газов. Они являются высоко­мощными импульсными лазерами с излучением в УФ - диапазопе длин волн с большими энергиями и высокой частотой повторения импульсов нри их длительности более 100 пс и высоким КПД (1 — 10%). Эти лазеры на­ходят применение в фотолитографии, для накачки ла­зеров на красителях и в управляемом лазерном термо­ядерном синтезе.

В газодинамических лазерах инверсия населенностей возникает при расширении нагретого и сжатого газа па выходе его из сопла. Рабочий газ нагревается (обычно до 10^ —3-Ю3 К) с помощью злсктроподоіревателя, ударной грубы, адиабатического сжатия, затем посту­пает в сопло, где он ускоряется и на выходе его охлаж­дается (рис. 3.141). Ось оптического резонатора пер - пепдикулярна направлению газового потока. Пели вре­мя жизни верхнего лазерною уровня больше, чем ниж­него, то возникает инверсия населенностей. В резона­торе часть колебательной энергии, связанной с инвер­сией, переходит в когерентное излучение. Колебатель­но возбужденный газ можно получать также за счет хи­мических реакций сгорания или взрыва 13.67].

Следует различать дна тина лазеров па плазме: лазе­ры. усиление в которых происходит в режиме иониза­ции газа (газовые лазеры), и лазеры, усиливающая сре­да которых — рекомбинирующая плазма (плазменные лазеры). Для газового лазера температура свободных электронов Те больше равновесной температуры Ти. при которой степень ионизации совпадает с фактиче­ски имеющейся. Для плазменного, наоборот, Те<Ти. Соответственно, импульсные газовые лазеры работают на переднем фронте импульса возбуждения, а плазмен­ные — в послесвечении.

В плазмолипамичсских лазерах па электронных пе­реходах существенное значение имеет движение АС (расширение, проток и сжатие плазмы, разлет газа). В движущейся плазме с быстро меняющимися плотно­стью и температурой реализуются значительные неод­нородности.

Предельные физико-технические параметры газо­вых лазеров приведены в табл. 3,56.

В химическом лазере энергия излучения возникает за счет неравновесного распределения химической энергии среди продуктов реакции непосредственно в реакторе. Наиболее естественным аккумулятором энер­гии. выделяющейся в процессе химической реакции, являются колебательные степени свободы молекул. Именно переходы между колебательными уровнями используются в подавляющем большинстве химиче­ских лазеров.

Они генерируют ихтучение на многих длинах волн от 1,3 до 26 мкм и достигают энергии в импульсном ре­жиме несколько кДж, а мощность в непрерывном ре­жиме — несколько кВт. Возбуждение АС происходит за счет образования колебательно-возбужденных лазер­ных молекул: а) образование реагирующих друг с дру­гом атомов происходит в электрическом разряде нри диссоциации молекул под действием фотонов или электронов (химически гибридный лазер); б) в чисто химическом лазере реагенты в реакции накачки

H2 + F2-»2HF*

образуются при горении (плазменный лазер), в им­пульсных цепных реакциях (HF-лазср) или в химиче­ских реакциях в камере сгорания (звездочка у молекул обозначает их возбужденное состояние).

В химических процессах переноса энергии образо­ванные колебательно-возбужденные молекулы отдают свою колебательную энергию при столкновениях вто­рого рода и таким образом создают в молекулах — партнерах по столкновению инверсию населенностей, например,

DF* + С02 —>СО*2 + DF.

В фотодиссоционных процессах за счет фотодиссо­циации молекул образуются возбужденные атомы, на­пример,

CT3/+/1V >CF3 + /’.

Твердотельные лазеры дают и злучение в видимой и близкой ИК-областях спектра, Плотность активных ча­стиц в рабочих веществах твердотельных лазеров со­ставляет 10l! i—1020 см-3, в то время как в газовых лазе­рах она обычно лежит в пределах 1015-1016 см-3. Сте­пень монохроматичности излучения хуже, расходи­мость пучка больше, чем в газовых лазерах. В качестве АС используют искусственные кристаллы и стекла. Первым АЭ был кристалл рубина (AI2O3, активирован­ный трехвалентными ионами хрома Сг3+), дающий ге­нерацию на Л = 0,694 мкм. Образцы рубина в виде ци­линдра [3.68] диаметром примерно 9,5 мм и ;иіиной

19,5 мм с плоскими торцами, параллельными друг дру - іу, крепились внутри спиральной импульсной лампы - вспышки. а все устройство помешалось в полирован­ном алюминиевом цилиндре (рис. 3,142). Затем ноя-

вился и получил широкое распространение кристалл алюмоиттрисвого фаната (АИГ), активированный грехвалентными ионами неодима (YjAljO^Nd31), а также неодимовые стекла (специальные силикатные или фосфатные стекла с добавкой 1—6% окиси неоди­ма), дающие генерацию на Х = 1,06 мкм. Вообще в твер­дотельных и жидкостных веществах генерация создает­ся в активирующих присадках, в то время как боль­шинство остальных свойств определяется основным материалом, т. е. материалом матрицы. Активные эле­менты обычно имеют форму стержней. На их торцы наносятся отражающие покрытия, и тогда АЭ стано­вится ОР. Часто применяются и внешние зеркала.

Возбуждение АЭ осуществляют разными путями, но чаше всего оптической накачкой. Свстооптичсскос уст­ройство концентрирует излучение специальной ламны или нескольких ламп па АЭ (рис.3.143). Эффективность системы накачки (рис. 3.144) прежде всего зависит от геометрических размеров лампы накачки и отражателя, их взаимного расположения в лазерном осветителе, от степени соответствия спектра ламны накачки спектру поглощения АЭ, от КПД лампы и всей светооптической

системы и доли излучения, поглощаемого АЭ. Боль­шинство твердотельных лазеров работает в импульспом режиме, так как для накачки, при которой возникает генерация, требуется создавать па АЭ весьма большие облученности (десятки Вт/см2). Их удается получать только в импульсном режиме при помощи специальных импульсных ламп накачки. Кроме того, при необходи­мых уровнях облученностей в непрерывном режиме в АЭ выделяется такое количество тепла, которое вызы­вает его нсреірсв (рис. 3.145). Исключение составляют низкопороговыс лазеры типа АИГ, которые благодаря небольшому порогу генерации и высокой теплопровод­ности АЭ могут работать в импульсно-периодическом и непрерывном режимах [3.69, 3.70].

Подведенная

электрическая

энергия

Полупроводниковые лазеры (ППЛ) 13.71] обладают следующими особенностями: очень малыми размерами излучающей области, весьма высокими КПД (50—60%), малыми мощностями, меньшей когерентностью, на­правленностью (1—6°) и монохроматичностью луча (примерно 5 нм), чем у твердотельных и газовых лазе­ров. ППЛ испускают излучение в диапазоне длин волн 0,32—32 мкм. В качестве АС применяют полупроводни­ковые кристаллы. В них используются оптические пе­реходы с участием свободных носителей тока в кристал­лах, т. е. с участием состояний в электронных зонах (рис. 3.146). По способу накачки ППЛ делятся па ип - жекционпые. с оптической накачкой, с накачкой пуч­ком бьісірьіх электронов, с накачкой пробоем в элек­трическом поле. Работают ППЛ преимущественно в импульсном режиме и при низких температурах, что вызвано необходимостью обеспечить теплоотвод, а так­же и тем, что при понижении температуры генерация возникает при меньших плотностях тока. В качестве АС наиболее широко применяют арсенид галлия с р-п-пе­реходом, генерирующим излучение с Л = 0,84 мкм, и сплав арсспида и фосфида галлия. Возбуждение р—«-перехода осуществляют путем ипжекции электро­нов. Разработаны ППЛ на їсте ростру ктурах, которые могут работать при температурах 20°С и выше. По сво­им качествам, структуре и принципам работы ППЛ от­личаются от других лазеров. Энергетические уровни, относящиеся к лазерному переходу, определяются всей кристаллической решеткой. Эти состояния пе являются дискретными, а слигы в энергетические зоны, пред­ставляющие собой группы энергетических состояний, расположенные настолько тесно, что образуют как бы континуум. Для лазера представляют интерес две энер­гетические зоны: валентная и проводимости. Валентная зона является наиболее высоким состоянием, запол­ненным электронами. Зона проводимости лежит выше и отделена областью энергии, называемой запрещенной зоной, в которой пет никаких электронных состояний. При поглощении энергии электроны переходят из ва­

Е(Р)

Ч)

fki)

Валентная зона

а)

Рис. 3.146. Энергетические диаіраммьі междузонпых опти­ческих переходов в полупроводниках: а — накачка кванта­ми с энергией, большей, чем Ад, и испускание кванта - hw, близкого по энергии к Eg. Разность энергий теряется при впутризонпой релаксации; б — прямой переход с энергией hco между экстремумами зон в прямозопном полупровод­нике; в — переход с энергией Ьш в пепрямозонпом полуп­роводнике; в переходе участвует (на рисунке поглощается) фонон ~Ш, обеспечивающий сохранение квазиимпульса 13.53]

лентной юны в зону проводимости. В валентной зоне остаются дырки. Аналогично электрон может перейти из зоны проводимости и рекомбинировать с дыркой в валентной зоне. При рекомбинации разность энергии испускается в виде излучения. На рис. 3.147 показана схема ППЛ на р—«-переходе. Электроны инжектируют­ся со стороны «-типа и рекомбинируют в области пере­хода. В результате этого возникает ток. Такие лазеры называются ипжекпионными. При прохождении тока должно создаваться достаточное количество дырок и электронов, так чтобы излучение, генерируемое при их рекомбинации, превышало потери, которые связаны с дифракционным выходом света из активной области, пропусканием света на границе перехода и поглощени­ем света свободными носителями в области перехода. Поэтому существует пороговое значение плотности тока, необходимое для работы лазера [3.711.

Рис, 3.147. Схема устройства полупроводникового лазера на р - л-перехоле

Полупроводниковые лазеры пе обладают малой расходимостью пучка, так как их излучение испускает­ся через апертуру, ограниченную малой шириной пере­хода. Дифракция на узкой полосе перехода приводит к выходу излучения в более широком угле, чем для лазе­ров других типов. Поэтому излучение, например, лазе­ра па арссниде галлия (рис. 3.148) имеет вид луча эл-

липтического сечения с углом рассеяния на уровне 0.5, равным нескольким градусам в направлении, парал­лельном переходу, и большими размерами в направле­нии, перпендикулярном переходу.

Жидкостные лазеры [3.72] в принципе сочетают в себе достоинства газовых и твердотельных лазеров. Они имеют большие объемные плотности активаторов. С их помощью легко создавать большие объемы актив­ного вещества іребуемой формы и достаточно одно­родные по составу и свойствам. Циркуляция жидкости позволяет решать проблему охлаждения, производить ее обновление. Недостатком является быстрое разру­шение активной жидкости под действием излучения накачки. Наиболее распространены лазеры на спирто­вых растворах органических соединений (красителей, состоящих из сложных молекул с молекулярным весом в несколько сотен единиц). Их основные достоинст­ва — возможность получать генерацию практически па любых длинах воли — от 0.35 до 1,2 мкм. При помощи специальных селектирующих усгройстн (дифракцион­ной решетки, интерференционно-поляризационного фильтра и т. п.) в ОР можно производить плавное изме­нение (перестройку) генерируемой длины волны в пре­делах, немного меньших полосы люминесценции кра­сителя (например, у красителя родамина 6Ж она зани­мает область 0,56—0,62 мкм). Путем использования кю­вет с разными растворами красителей можно изменять область длин волн генерации. Ширина полосы генера­ции одного красителя составляет в среднем 5—20 нм. При использовании дифракционной решетки или ин­терферометра Фабри-Псро ширина линии генерации может быть уменьшена на несколько порядков.

Оптическая накачка лазеров па красителях (ЛК) может осуществляться только источниками с малой длительностью вспышки, например, специальными импульсными лампами [3.38] с длительностью импуль­са порядка несколько мке или импульсными лазерами, в частности, газовыми и твердотельными |3.62|, В по­следнем случае коэффициент преобразования ихтуче- ния достигает 40—50%.

На рис. 3.149 показана схема непрерывного ЛК с накачкой аргоновым лазером. Луч лазера фокусируется в небольшое пятно, а раствор красителя протекает че­рез резонатор Л К. Скорость потока -10 м/с, а луч фо­кусируется в нятно диамеїром ~10 мкм. Следовательно, длительность накачки составляет 1 мке. Раствор краси­теля под давлением вытекает в виде высокоскоростной струи.

Практическое значение Л К приобрели при исполь­зовании в лазерном атомно-флуорссцептном и атомпо - иопизационном анализе, спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света, в методе дифференци­ального поглощения и рассеяния и в дистанционном зондировании атмосферы. Все эти методы основаны на селективном взаимодействии перестраиваемого излуче­ния с атомами и молекулами. Они также применяются в таких областях, как лазерная фотохимия, разделение изотопов, получение сверхчистых вешсств.

Направления дальнейших работ по ЛК состоят в следующем: синтез новых эффективных красителей;

Рис. 3.149. Схема перестраива­емого лазера с оптической на­качкой на красителе с исполь­зованием способа быстрой сіруи активного вещества

увеличение фотохимической стабильности Л К; автома­тизация ЛК с управлением от ЭВМ: создание мипи-ЛК с накачкой ППЛ; разработка ЛК со спектрально огра­ниченными импульсами фемтосекундной длительности <Ч0-15с) 13,73].

В качестве активной среды жидкостных лазеров применяют гакже неорганические растворы сложного химического состава с ионами редкоземельных метал­лов (преимущественно с Nd3+). Их достоинством явля­ется возможность создания активной среды больших размеров, Кроме того. ДА остается в пределах 0,1 нм даже при больших превышениях порога генерации (в неодимовом стекле при этом ДА уширяется до 8—10 нм). Первые жидкостные лазеры такого типа были созданы на основе хелатов (сложных внугриком - плексных соединений). В них удалось совместить вы­сокую плотность активных частиц и удобный теплоот­вод. Но были определены и два препятствия на пути увеличения мощности генерации: большой коэффици­ент поглощения излучения растворами, ограничиваю­щий глубину эффективной накачки, а значит, и сече­ние АЭ. и фотохимическая нестойкость, приводящая к быстрому распаду АС.

В неорганических лазерных жидкостях, активиро­ванных редкоземельными ионами, используются систе­мы на основе POClj и ScOCl2 с Nd3+ и другими редко­земельными активаторами.

Первый лазер на свободных электронах (ЛСЭ) был реализован в 1976 г. С этого времени данному типу ла­зеров уделяется все возрастающее внимание. У ЛСЭ АС является электронный пучок высокой энергии. Реали­зация ЛСЭ требует также дополнительных нолей:

а) статических, периодически изменяющихся в про­странстве магнитных полей (ондуляторов), которые модулируют траектории электронов и обусловливают таким образом излучение фотонов (магнитное тормоз­ное ихіучение); большинство реализованных до си. пор ЛСЭ основаны на этом принципе действия;

б) ноля при распространении электронов в среде (эф­фект Черепкова); в) распространения в волноводе с решеткой (эффект Смита-Парсслла).

Принцип действия ЛСЭ основан на магнитном тор­мозном излучении. Длина волны ЛСЭ может быть по­следовательно настроена путем вариации скорости электронов, периода ондулятора или его поля. В каче­стве источников электронов применяются линейные ускорители, накопительные кольца, микротроны (наи­более просто реализуемые). Преимущественные диапа­зоны ;иіип волн излучения: субмиллиме гровый, И К. УФ и рентгеновский. Самая короткая длина волны рентгеновского лазера около 4 нм [3.74].

Лазерное ускорение электронов. При воздействии же­стко сфокусированных интенсивных ультракоротких лазерных импульсов ускорение электронов, движущих­ся вдоль оси лазерною луча, определяется продольной электромагнитной и продольной составляющей элект­рического поля лазерной волны. Лазеры с предельны­ми в настоящее время параметрами позволяют уско­рять электроны до энергий порядка 1 ГэВ. Это сопо­ставимо с энергиями, получаемыми в настоящее время на самых «больших» ускорителях [3.75|.

Лазеры, перестраиваемые по длииам волн излучения. В нелинейных оптических устройствах используются свойства нелинейных кристаллов. В непентросиммет - ричном кристалле может быть наведена большая ди­электрическая поляризация, пропорциональная квад­рату напряженности электромагнитного поля. При воз­никновении нелинейной поляризации возможно гене­рирование гармоник или же суммарных и разностных частот. Для реализации излучения на новых частотах должно быть выполнено условие фазовой синхрониза­ции: волновые векторы приложенных полей и генери­руемого поля должны быть также взаимосвязаны, как и их частоты. Каждый нелинейный оптический процесс можно представить состоящим из двух этапов: сначала свет большой интенсивности вызывает нелинейный от­клик среды, а затем реакция среды, в свою очередь, не­линейным образом изменяет оптические поля.

В табл. 3.57 представлены сведения о лазерах с пе­рестраиваемой частотой генерации.

В последние два десятилетия разработано большое число разнообразных твердотельных АС, которые по­зволяют плавно перестраивать длину волны генерации в диапазонах, несколько меньших, чем их полосы лю­минесценции. При этом с помощью разных АС и нели­нейных кристаллов удается получать лазерное ихіуче­ние в видимой и ближней ИК-областях. Первыми сре­ди них были лазеры на александрите, а затем и на дру­гих кристаллах. Диапазон длин волн перестраиваемого лазерного излучения на кристалле Ті-сапфир составля­ет 400 нм с пиком на 780 нм, на форстерите 1,167— 1,35 мкм, на LiCaF:Cr34 и на LiSrCaAlF6:Cr3"'' 800— 900 пм. Лазеры на ZnSc:Fc излучают в диапазоне 3,77—

4.40, а на Сг21 :ZnS — 2,07-2,40 мкм.

Лазеры на титан-сапфире нашли широкое примене­ние в лидарных системах аэрокосмического базирова -

пня для мониторинга параметров атмосферы, в систе­мах лазерной сня;)И, в спектроскопии.

Созданы также разнообразные кристаллы с центра­ми окраски (ЦО), с помощью которых можно пере­страивать длины воли лазерного излучения от 0.8 ло 4 мкм. Лазеры на ЦО в непрерывном режиме ихчучают мощность в несколько ватт. Лазер па NaCI с ЦО F2~:02- генерирует в диапазоне 1,52—1,64 мкм, а с не­линейным кристаллом ВаГ2 — в диапазоне 0,4—

3,5 мкм. Лазер па КО:Li1 с Рд-ценграми излучает в интервале 1,35—1.75 мкм, а с РА(Т1+)-центрами — в ин­тервале 1.4—1,6 мкм.

Еще одной АС перестраиваемых твердотельных ла­зеров являются пластмассовые стержни (в основном из нолимстилметакрилата из-за лучшей прозрачности), в которые специальным образом внедрены красители.

Если имеется перестраиваемый лазер с ихтучеписм в одной области спектра и второй, неперестраивасмый, лазер, го может быть получено ихтучение с суммарны­ми или разностными частотами. При перестройке па­раметрического генератора изменение фазово-связап - ных длин воли осуществляется за счет изменения пока­зателя преломления кристалла при изменении темпера­туры, повороте кристалла или наложении электриче­ского поля, Параметрические генераторы работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Комбинационные лазеры па переориентации спина используют лазеры на фиксированных частотах (на­пример. па СО или С02) для накачки полупроводнико­вою кристалла InSb, помещенного в магнитное поле (100 кГс), Фотоны лазера накачки теряют энергию при соударениях с электронами в кристалле и вызывают из­менение ориентации их спина в магнитном поле. Ком­бинационные фотоны отличаются но энергии от фото­нов накачки на величину изменения энергии спина электрона, которая пропорциональна внешнему маг­нитному нолю. В результате этого частота комбинаци­онных фотонов зависит от напряженности магнитного поля.

За время, прошедшее со дня открытия лазеров до наших дней, они заняли исключительно важное место в производстве, науке и технике. Одно только перечис­ление областей применения лазеров указывает на их важнейшее место в современной цивилизации. Это ла­зерные: анемометрия, голография, десорбция, деструк­ция полимеров, диагностика потоков жидкости, диа­гностика плазмы, закалка металлов, запись информа­ции, звукозапись, локация (Лупы |3.76|), наплавка ме­таллов, нейрохирургия, обработка материалов (стекла, металлов), получение плазмы в термоядерном реакто­ре, резка металлов, сварка, связь, спектроскопия (улы- раскоростпая), терапия, геодезия, деревообработка, ме­лиорация, целлюлозно-бумажное производство, техно­логия, фотохимия, химия, хирургия, электроника, эро­зия металлов, резка, разделение смесей и изотопов, зондирование атмосферы и океана, биологическое и химическое действие излучения, облучение растений и семян, разрушение горных пород, упрочнение метал­лов, лазерно-химические реакции, лазерные атомиза­торы в атомно-абсорбционном анализе, воздушно-ре­активные двигатели, геодезические приборы, гироско­пы летательных аппаратов и судов, дальномеры, дви­жители взрывного тина для ускорения летательных ап­паратов, звукопроигрыватели, интерферометры, кине­скопы, линии связи (телевизионные), лазерные методы измерений, приемники, радары в метеорологии, радио­локаторы, расходомеры, посадка самолетов, телеметри­ческие и телевизионные установки, электронно-луче­вые грубки, атомно-флуоресцентный анализ, атомно - ионизационный анализ, масс-спсктрометрический анализ, метод разделения изотопов (радиоактивных и стабильных), спектральный анализ, как стандарты час­тоты, как интерферометры.