Главная | Обратная связь

Класифікація лазерів

За схемами функціонування:

· 3-рівневі

· квазі-4-рівневі

· 4-рівневі

 

За агрегатним станом активного середовища:

· газові

· рідинні

· твердотільні

 

За методом отримання інверсії:

· з електронною накачкою

· з хімічною накачкою

· з оптичною накачкою

· з тепловою накачкою

 

Найбільш розповсюдженою є класифікація за фізичними особливостями активного середовища:

· твердотільні

· напівпровідникові

· волоконні

· газові

· іонні

· молекулярні

· рідинні

· газодинамічні

· хімічні

· ексимерні

· лазери на центрах забарвлення

· фотодисоціаційні

· лазери на вільних електронах

· рентгенівські

· лазери з перебудовою довжини хвилі генерації

· раманівські

· параметричні

 

1. Твердотілі лазери. Першим твердим активним середовищем став рубін - кристал корунду Al₂O₃ з невеликою домішкою іонів хрому Cr+++. Сконструював його Т.Майман в 1960 році. Широко застосовується також скло з домішкою неодима Nd, самого неодима і рідкоземельних елементів у вигляді стержнів. Накачуванням твердотілих лазерів зазвичай служить імпульсна лампа, що спалахує приблизно на 10^-3 секунди, а лазерний імпульс виявляється коротший у 2 рази. Частина часу витрачається на створення інверсної заселеності, а у кінці спалаху інтенсивність світла стає недостатньою для збудження атомів і генерація припиниться. Лазерний імпульс має складну структуру, він складається з безлічі окремих піків тривалістю близько 10^-6 секунди, розділених проміжками, приблизно, в 10^-5 секунд. У цьому режимі так званої вільної генерації потужність імпульсу може досягати десятків кіловат. Підвищити потужність, просто посилюючи світло накачування і збільшуючи розміри лазерного стержня, неможливо чисто технічно. Тому потужність лазерних імпульсів підвищують, зменшуючи їх тривалість. Для цього перед одним з дзеркал резонатора ставлять затвор, який не дозволяє генерації початися, поки на верхній рівень не будуть перекинуті практично усі атоми активної речовини. Потім затвор на короткий час відкривається і уся накопичена енергія випромінюється у вигляді так званого “гігантського” імпульсу. Залежно від запасу енергії і тривалості спалаху потужність імпульсу може складати від декількох мегават до десятків тераватт(10¹² Вт.).

 

2. Газові лазери. Активним середовищем газових лазерів служать гази низького тиску (від сотих доль до декількох міліметрів ртутного стовпа) або їх суміші, що заповнюють скляну трубку з впаяними електродами. Перший газовий лазер на суміші гелію і неону був створений незабаром після рубінового лазера в 1960 році. Накачуванням газових лазерів служить електричний розряд, що живиться високочастотним генератором. Генерація випромінювання ними відбувається так само як і в твердотілих лазерах, але газові лазери дають, як правило, безперервне випромінювання. Оскільки густина газів дуже мала, довжина трубки з активним середовищем має бути досить велика, щоб маси активної речовини вистачило для отримання високій інтенсивності випромінювання. До газових лазерів можна віднести також газодинамічні, хімічні і ексимерні лазери.

 

2.1. Газодинамічний лазер схожий на реактивний двигун, в якому згорає паливо з добавкою молекул газів активного середовища. У камері згорання молекули газів збуджуються, і, охолоджуючись при надзвуковій течії, віддають енергію у вигляді когерентного випромінювання великої потужності в інфрачервоній області, яке виходить упоперек газового потоку.

 

2.2. У хімічних лазерах (варіант газодинамічного лазера) інверсія заселеності утворюється за рахунок проходження хімічних реакцій. Найбільш високу потужність розвивають лазери на реакції атомарного фтору з воднем.

 

2.3. Ексимерні лазери, працюючі на електронних переходах молекул, існуючих тільки у збудженому стані.

 

 

3. Рідинні лазери.Активним середовищем цих лазерів (їх називають також лазерами на барвниках) служать різні органічні сполуки у вигляді розчинів. Перші лазери на барвниках з'явилися у кінці 60-х. Щільність їх робочої речовини займає проміжне місце між твердим тілом і газом, тому вони генерують досить потужне випромінювання (до 20 Вт) при невеликих розмірах кювети з активною речовиною. Працюють вони як в імпульсному, так і у безперервному режимі, їх накачування здійснюють імпульсними лампами і лазерами. Збуджені рівні молекул барвників мають велику ширину, тому рідинні лазери випромінюють відразу декілька частот. А міняючи кювети з розчинами барвників, випромінювання лазера можна перебудовувати в дуже широкому діапазоні. Плавне підстроювання частоти випромінювання здійснюють налаштуванням резонатора.

 

4. Напівпровідникові лазери. Цей вид оптичних квантових генераторів був створений в 1962 одночасно декількома групами американських дослідників, хоча теоретичне обгрунтування його роботи зробив Н.Г.Басов із співробітниками в 1958 році. Найбільш поширені лазерний напівпровідниковий матеріал - арсенід галію GaAr. Відповідно до законів квантової механіки, електрони в твердому тілі займають широкі енергетичні смуги, що складаються з безлічі безперервно розташованих рівнів. Нижня смуга, що називається валентною зоною, відокремлена від верхньої зони (зони провідності) так званою забороненою зоною, в якій енергетичні рівні відсутні.

У напівпровіднику електронів провідності мало, рухливість їх обмежена, але під дією теплового руху окремі електрони можуть перескакувати з валентної зони в зону провідності, залишаючи в ній порожнє місце - "дірку". І якщо електрон з енергією E_е спонтанно повертається назад в зону провідності, відбувається його "рекомбінація" з діркою, що має енергію E_д, яка супроводжується випромінюванням із забороненої зони фотона частотою n = E_е - E_д. Накачування напівпровідникового лазера здійснюється постійним електричним струмом (при цьому від 50 до майже 100% його енергії перетворюється на випромінювання); резонатором зазвичай служать поліровані грані кристала напівпровідника.

 

 

Теоретичні основи

Лазери– це генератори електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, дія яких ґрунтується на використанні індукованого (вимушеного) випускання. В деяких квантових системах можна штучно створити такі умови, за яких населеність верхнього енергетичного рівня E₂ буде більшою, ніж населеність нижнього рівня E₁. Такий стан системи називають станом з інверсною населеністю рівнів, в середовище – інверсним або активним. Якщо в активне середовище вводиться фотон з частотою ѵ = ( E₂ – E₁) / h, то це викликає лавиноподібне народження нових фотонів за рахунок переходу атомів зі стану E₂ у стан E₁. Зрозуміло, що в середовищі відбуватимуться також переходи E₁→E₂, але їх кількість залишається досить малою, тому що середовище інверсне.

У кожній області простору, заповненій активною речовиною, зростання інтенсивності електромагнітної хвилі буде пропорційне енергії самої хвилі:

 

(1.1)

де – коефіцієнт квантового підсилення речовини; – початкова інтенсивність хвилі.

У реальних речовинах завжди є фактори, які послаблюють інтенсивність: розсіювання на неоднорідностях, збудження іншої пари рівнів, невелике число переходів E₁→E₂ тощо. Тому, з урахуванням поглинання, формулу можна записати так:

(1.2)

де характеризує втрати енергії в речовині.

Розв’язавши рівняння (1.2), отримаємо закон зміни сумарної інтенсивності залежно від відстані, яку проходить хвиля в активній речовині,

 

.(1.3)

Як бачимо з (1.3), обов’язковою умовою квантового підсилення, крім інверсної населеності рівнів, є виконання умови ,тобто випускання енергії активними атомами повинно з надлишком компенсувати втрати електромагнітної енергії хвилі у речовині.

Для створення інверсної населеності рівнів використовується три- або чотирирівнева система. Причому серед рівнів повинен бути один, час життя на якому більший, ніж на інших (метастабільний рівень). Ширина рівня та час життя атома на ньому пов’язані співвідношенням невизначеностей Гейзенберга

 

.

Якщо час життя атома на рівні тривалий, то цей метастабільний рівень буде досить вузьким. Нехай існує трирівнева система (рис. 2.1), де E₁ – основний рівень, E₂ – збуджений метастабільний (вузький) рівень, Е₃ – збуджений короткоживучий (широкий) рівень. Спрямуємо на середовище пучок електромагнітних хвиль hѵ₁₃ = E₃ – E₁, тоді частина атомів з енергетичного рівня 1 перейде на рівень 3 (здійснюється так звана накачка). Під час накачки поряд зі зворотними переходами 3→1 відбуваються самочинні переходи 3→2, які інтенсивно збільшують населення рівня 2. Час життя на цьому рівні досить великий, і інверсія поступово зростає. Слабка зовнішня дія ( фотон з частотою ) викликає велику кількість вимушених переходів 2→1. Унаслідок цього система випускає когерентне випромінювання, підсилюючи вхідний сигнал. Система з інверсною населеністю рівня 2 може і сама, без зовнішньої дії, випускати випромінювання. Цілком імовірно, що самочинно відбудеться хоча б один перехід 2→1, який викличе лавиноподібне зростання інтенсивності випромінювання згідно з формулою (1.3).

Існують різні типии лазерів, але робота кожного з них базується на однакових фізичних принципах. Відмінність полягає, в основному, у методах збудження активного середовища, тобто у способі накачки. У твердотільних лазерах застосовують оптичну накачку, а у газових – електричний розряд, у напівпровідникових – інжекцію носіїв заряду.

Газові лазери мають ряд переваг порівняно з іншими типами генераторів електромагнітного випромінювання. У них активне середовище знаходиться у стані газорозрядної плазми, тобто частинки становлять сукупністю іонів та електронів. Вони дуже слабо взаємодіють між собою, а це означає, що лінії самочинного випускання та поглинання дуже вузькі. Тому ширина лінії генерації газового лазера мінімальна порівняно з іншими генераторами. З другого боку, газ, в оптичному відношенні, є однорідним середовищем, тобто у формулі (1.3) мале.

Розглянемо роботу гелієво-неонового лазера. Розберемо діаграму нижніх енергетичних станів гелію та неону (рис. 1.2).

hѵ13

E3

N3

3

E2

N2

	hѵ12		hѵ12

E1

N1

1

 

Рисунок 1.1 Рисунок 1.2

 

 

У газорозрядній трубці лазера, заповненій сумішшю гелію та неону, при виникненні електричного розряду відбувається збудження атомів.

В основному збуджуються атоми гелію, оскільки їх концентрація в десятки разів більша, ніж концентрація неону. При збудженні, за рахунок електронних ударів, атоми гелію переходять з основного стану 1¹s₀ У перші збуджені стани 2³s₀ і 2¹s₀. Енергія перших збуджених станів гелію практично збігається з енергією деяких станів неону (2²s₀→3s₂; 2³s₀→2s₂). Збіг цих рівнів призводить до того, що метастабільні атоми гелію при співударах з незбудженими атомами неону переводять їх на один з рівнів збуджених станів 2s і Зs. Тим самим забезпечується інверсія населеності рівнів станів 2s і Зs і, за певних умов, середовище стає оптично активним. Дуже важливим для роботи гелієво-неонового лазера є те, що переходи атомів неону з рівнів Зр і 2р на рівень 1 з надзвичайно швидкі, тому конценрація атомів на цих рівнях завжди дуже мала.

 

Найчастіше лазерне випромінювання виникає внаслідок переходів (відповідно b, c, а на рисунку 1.2):

3s₂ → 2р_4, λ = 632, 8 нм;

2s₂ →2р₄, λ = 1152 нм;

3s₂ → Зр₄, λ = 3390 нм.

Взагалі генерацію можна спостерігати одночасно на кількох лініях. Підбором системи дзеркал резонатора, введенням диспергуючого або вибірково поглинаючого елемент можна створити оптимальні умови генерації для однієї лінії та заглушити для інших. Таким чином, у гелієво-неоновому лазері гелій виконує функцію резервуара збудження, яке резонансно передається атомам неону. Неон є робочою речовиною. У газових лазерах замість неону можна використовувати й інші інертні гази. Схеми їх рівнів подібні до розглянутих вище. Рівні випускання газових лазерів перекривають спектральний діапазон від ультрафіолетової області до інфрачервоної.

При досить високому рівні накачки в суміші гелію та неону починається лавиноподібний процес розмноження когерентних фотонів. Якщо кювета з сумішшю газів розміщена між високовідбиваючими дзеркалами, то виникає генерація лазерного випромінювання. На рисунку 1.3 зображено схему гелієво-неонового лазера.

Рисунок 1.3. Схема гелієво-неонового лазера:

1 – скляна кювета з сумішшю гелію та неону, в якій створюється високовольтний розряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухе сферичне дзеркало з коефіцієнтом пропускання менше 0,1 %; 5 – переднє (вихідне) сферичне дзеркало з пропусканням 1-2 %

Гелієво-неоновий лазер складається з оптичного резонатора активного середовища й захисної оболонки. Оптичний резонатор утворений сферичним та плоским дзеркалами, жорстко закріпленими у стальних фланцях, які скріплені між собою інваровими стержнями. За допомогою юстувальних гвинтів положення дзеркал відносно осі резонатора можна змінювати в невеликих межах. Активний елемент (газорозрядна трубка, заповнена сумішшю гелію й неону, з підігрівним катодом і анодом) закріплений між напрямними стержнями. Торці газорозрядної трубки відшліфовані під кутом Брюстера і закриті вихідними вікнами з оптичного кварцового скла. Оптичний резонатор з активним елементом розташований в захисній оболонці, на одному кінці якої закріплено роз’єднувач для кабелів високої напруги та напруги розмикання. Вихід лазерного випромінювання здійснюється з боку напівпрозорого плоского дзеркала.

Сучасні високостабільні гелієво-неонові лазери промисловість випускає в моноблочному виконанні. Для цього використовується ситал. Ситал — склоподібна речовина, яка має практично нульовий температурний коефіцієнт розширення.

В куску ситала, взятого у формі прямокутного паралелепіпеда, просвердлюють канал, до кінців якого на оптичному контакті приклеюють резонаторні дзеркала. Канал заповнюють сумішшю гелію та неону. Використовуючи додаткові бокові канали, монтують катод та анод.

Така моноблочна конструкція забезпечує високу механічну й теплову стабільність роботи газового лазера й дозволяє ширше впроваджувати їх у різноманітні галузі виробництва та побут.

Для живлення розрядної трубки використовується електронний стабілізатор СПБ-5. На його передній панелі розташовані: вимірювальний прилад « Ток нагрузки », тумблер « Сеть », сигнальна лампочка, ручка потенціометра « Регулятор тока нагрузки», кнопка « Поджиг ». На задній стінці блока знаходяться: перемикач напруги живлення, роз'єднувач живлення лазера, клема « Земля », шнур живлення. Лазер ЛГН-109 працює на довжині хвилі 632,8 нм і дає випромінювання потужністю не менше 2 мВт.

Незважаючи на невелику вихідну потужність, яскравість пучка лазерного випромінювання на кілька порядків більша за яскравість звичайної електричної лампи розжарювання. Тому при роботі з лазером слід бути обережним, дотримуватись правил техніки безпеки. Однією з основних особливостей лазерів є малий кут розходження пучка. Якщо пучок має форму конуса, то тілесний кут можна визначити, вимірявши відповідний плоский кут за формулою

. (1.4)

 

За умови ˂60° зв'язок між тілесним і плоским кутами з достатньою точністю виражається формулою

 

,(1.5)

 

де – плоский кут, рад.

 

Кут можна виміряти за схемою, зображеною на рисунку 1.4, за якою

 

. (1.6)

 

 

Рисунок 1.4

Довжину хвилі лазерного випромінювання можна визначити, користуючись дифракційною ґраткою. Пучок монохроматичного світла від лазера Л падає на дифракційну ґратку ДГ, дифрагує і дає дифракційну картину на екрані Е.

На рисунку 1.5 зображено промені, які після дифракції на ґратці ДГдають на екрані Е симетрично розміщені максимуми ММ. Очевидно, що

 

,

де х - відстань між розміщеними симетрично відносно серединного (нульового) максимуму СМ максимумами ММ, l - відстань між дифракційною ґраткою ДГ і екраном Е. Через те, що кут малий, то ,тобто з достатнім ступенем точності

 

.

Рисунок 2.5

Якщо на оправі ґратки вказано число п штрихів, що припадає на одиницю її довжини, то стала ґратки

.

 

Підставивши два останні співвідношення у формулу дифракційної ґратки, отримаємо розрахункову формулу

 

, (1.7)

 

 

де λ - довжина світлової хвилі; х - відстань на екрані між максимумами однакового порядку; k - порядокдифракційного максимуму; l - відстань між ґраткоюта екраном; d - стала дифракційної ґратки (на оправі ґратки вказано число штрихів на 1 мм).