Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про конструкции лазеров, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое конструкции лазеров, лазер, лазеры , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Квантовая электроника.

​

Ла́зер — квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трех основных элементов:

• Источник энергии (механизм «накачки» лазер а).
• Рабочее тело лазера.
• Система зеркал («оптический резонатор»).

1. Геленеоновые.
2. Твердотельные.
3. Ионные.
4. Молекулярные.
5. Полупроводниковые.

Источник накачки подает энергию в систему. В его качестве могут выступать:

• электрический разрядник
• импульсная лампа
• дуговая лампа
• другой лазер
• химическая реакция
• взрывчатое вещество

Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

Оптическими квантовыми приборами называют приборы, использующие явления индуцированного излучениядля генерации или усиления электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне: ультрафиолетовой (λ = 0,01- 0,38 мкм), видимой (λ = 0,38 -0,77 мкм) и инфракрасной (λ= 0,77 -340 мкм) области спектра.

Классификация лазеров

1.По характеру рабочего вещества:

1. газовые (гелий-неоновый лазер, газодинамический)

2. твердотельные (рубиновый лазер)

3. полупроводниковые (инжекционный лазер)

2. По способу возбуждения активного вещества:

1. за счет оптического излучения

2. потоком электронов

3. солнечной энергией

4. химической энергией и т.д.

3.По режиму работы:

1. импульсный

2. непрерывный

4. По характеру излучаемой энергии:

1. монохроматический (излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн)

2. широкополосный (излучение лазера сосредоточено в широком интервале длин волн).

Рис.1

Блок-схемалазера показана на Рис.1.

Активное вещество помещается в оптический резонатор, основное назначение которого — обеспечить многократное прохождение индуцированного излучения через активное вещество.

Система накачки применяется для создания инверсной населенности. Принцип накачки определяется в основном физическими свойствами активного вещества, и поэтому эта система выбирается применительно к каждому типу лазера.

Большенство лазеров работает при температурах жидкого гелия (4,2К) или жидкого азота (77К). В этих случаях используется система охлаждения активного вещества.

Основные части лазерной установки

Схема устройства на примере рубинового лазера

Рабочее тело

Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населенностей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

В лазерах используются следующие рабочие тела:

• Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.
• Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
• Твердые тела, такие как кристаллы и стекла. Такие материалы обычно легируются (активируются) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия). Используемые стекла: фосфатные и силикатные. Самые распространенные варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd: glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсными лампами или другими лазерами.
• Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

Оптический резонатор

Оптический резонатор, простейшим видом которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

В твердотельных лазерах зеркала могут формироваться на полированных торцах активного элемента. В газовых лазерах и лазерах на красителях — на торцах колбы с рабочим телом.

Для выхода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным.

Дополнительные устройства

Также в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

Система накачки в твердотельном лазере.

Определить минимальную мощность ЛН, необходимую для возбуждения рубинового лазера.

, , , , , .

, .

Как известно, для излучения рубинового лазера необходимо, чтобы число активных частиц .

, .

1). - это на 1 фотон.

2). .

3). .

, , .

КПД лазера.

.

1 множитель показывает сколько когерентных квантов приходится на возбуждение света. Примерное значение 0,9-0,001.

2 – КПД открытого резонатора. 0,3-0,7.

3 – КПД возбуждения – сколько энергии затрачивается на получение накачки. 0,1-0,7.

4 – Система обслуживания КПД – доля энергии, затраченная на охлаждение квантона. 0,5-0,9.

Получается .

Оптический резонатор

Рассмотрим подробнее основную часть лазера - оптический резонатор, который представляет собой пару отражающих элементов, обращенных друг к другу. В качестве отражающих элементов используют плоские зеркала (рис. 2, а), сферические или параболические зеркала (рис. 2,б), призмы полного внутреннего отражения (рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 2, в) или комбинацию этих элементов (рис. 2, г).

Рис.2

«Оптические резонаторы»

Условия резонанса в оптическом резонаторе в общих чертах ничем не отличаются от подобных условий в других резонансных системах. Стоячая волна образуется в резонаторе при условии, что на его длине L укладывается целое число полуволн. Таким образом, резонансные длины волн равны: , где: n = 1, 2, 3.

Для получения резонанса необходимо, чтобы расстояние L между отражающими элементами было равно целому числу длины волны генерируемого излучения. Следовательно, для резонансных частот можно записать: ,где: с -скорость света.

Расстояние между соседними резонансными частотами равно:

Рис.2 Резонансные частоты оптического резонатора

Оптический резонатор обладает собственными потерями за счет дифракции света, неидеального отражения зеркал и др. Поэтому его полоса имеет конечную ширину (рис. 2). Ее величина равна: где: - резонансная частота, а Q – добротность резонатора.

, где:- коэффициент суммарных потерь в резонаторе.

Газовые лазеры

Газовые лазеры ─ оптические квантовые генераторы (ОКГ), в которых активной средой является газ или смесь газов, состоящая из атомов, ионов или молекул (Криптон (Kr), Аргон (Ar), Гелий (He), Неон (Ne) и т.д.).

В зависимости от того, состояния каких частиц используют для получения инверсии населенностей, различают атомные, ионные и молекулярные лазеры. Рассмотрим газовые лазеры на примере He-Ne лазера.

Принцип действия He-Ne лазера.

В основе его работы лежит явление излучения энергии при переходе из одного энергетического состояния атомов газа в другое. Энергетические диаграммы гелия и неона представлены на (рис.3). Основное невозбужденное состояние атомов гелия и неона соответствует нижнему энергетическому уровню на диаграмме.

Рис. 3 Энергетические диаграммы гелия и неона.

При электрическом разряде в кювете происходит ионизация газа: появляются ионы гелия, неона и свободные электроны. Вследствие неупругих соударений со свободными электронами, имеющих большую кинетическую энергию, происходит возбуждение атомов гелия, которые могут переходить на метастабильные уровни . (уровни для которых запрещены переходы в основном состоянии). Энергетические уровни гелия очень близки к уровням 2s и 3p неона, поэтому при неупругих соударениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит эффективная передача избыточной энергии атомов гелия к атомам неона. Атомы неона переходят в возбужденные состояния 2s или 3s, а атомы гелия ─ в основное состояние І.

В гелий-неоновом лазере рабочими являются переходы между энергетическими уровнями неона (3s → 3p; 3s → 2p; 2s → 2p). Инверсную населенность на указанных уровнях можно получить за счет прямого электронного возбуждения атомов неона, при переходе их в верхние состояния рабочих переходов (3s или 2s).Но такой процесс в приборах не используется, ввиду того, что за счет электронного возбуждения происходит также интенсивное заселение уровня 2p частицами с уровня 1s.Увеличение населенности уровня 2p снижает коэффициент инверсии на рабочих переходах, так как их верхние уровни 3s и 2s с малым временем жизни заселяются недостаточно интенсивно.

Атомы гелия являются посредниками при передаче энергии от быстрых электронов к атомам неона. Поэтому гелий можно назвать вспомогательным каналом заселения верхних рабочих уровней 3s и 2s неона, а неон ─ основным, или рабочим, газом. Очевидно, существует обратный процесс передачи энергии от атомов неона к атомам гелия. Чтобы прямой процесс преобладал, необходимо значительное преобладание концентрации гелия над концентрацией неона. Эффективность передачи энергии оказывается высокой также потому, что время жизни гелия на метастабильных уровнях ІІ и ІІІ большое (10-3 с).

В результате выше изложенного процесса образуются инверсная населенность на рабочих переходах 3s → 3p, 3s → 2p и 2s → 2p. В процессе индуцированного излучения частицы неона переходят на более низкий уровень 2p, с которого через малый промежуток времени попадают на уровень 1s. Опустошение этого уровня происходит за счет диффузии частиц на стенки кюветы, где они теряют часть энергии и переходят в основное состояние, при этом на стенках выделяется тепловая энергия.

Устройство He-Ne лазера.

Устройство гелий-неонового лазера показано на (рис.4). Стеклянная или кварцевая трубка является газовой кюветой, которая заполнена смесью газов гелия и неона, парциальные давления которых различны (гелий при p ≈ 1 мм рт. ст., а неон при p ≈ 0,1 мм рт. ст.).

Рис. 4

«Устройство гелий-неонового лазера»

1 – кювета; 2 – кварцевые пластины; 3 – зеркала;

4 – кольцевые электроды.

1

Длина кюветы в различных генераторах может быть разной ─ от нескольких сантиметров до нескольких метров; диаметр кюветы d ≥ 1см. К торцам кюветы приварены плоскопараллельные стеклянные или кварцевые пластины, расположенные относительно оси кюветы под углом Θ0─углом Брюстера. С двух сторон кюветы расположены зеркала, образующие оптический резонатор. Одно из зеркал делают полупрозрачным или с центральным отверстием для вывода луча из системы. Т.к. световые лучи в рабочем объеме лазера почти не рассеиваются, то это позволяет располагать зеркала оптического резонатора на достаточно большом расстоянии друг от друга и получать излучение с высокой степенью направленности и монохроматичности.

Зеркала могут быть размещены внутри газовой кюветы, а также снабжены юстировочными механизмами для точной регулировки их взаимного расположения. На кювете размещают кольцевые электроды, с помощью которых в ней возбуждается высокочастотный тлеющий разряд. Электроды питаются от мощного генератора высокой частоты. При использовании тлеющего разряда на постоянном токе анод и катод размещают в специальных отростках, привариваемых к кювете. К этим электродам подводят высокое напряжение: 1 ─ 2 кВ на метр разрядного промежутка.

Параметры и характеристики He-Ne лазеров.

Основные рабочие переходы обеспечивают генерацию излучения в видимой части диапазона (λ = 0,63 мкм, переход 3s → 2p-обладает наименьшим усилением), а также в инфракрасной области (λ = 1,15 мкм, переход 2s → 2p и λ = 3,39 мкм, переход 3s → 3p).

Рис. 5 Зависимость выходной мощности от тока разряда.

Мощность излучения гелий-неоновых лазеров невелика (порядка десятков милливатт на волнах λ = 0,63 мкм и λ = 1,15 мкм и порядка сотни милливатт на более длинных волнах). Уровень генерируемой мощности зависит от ряда факторов: тока разряда, общего давления в газовой смеси, соотношения парциальных давлений гелия и неона, диаметра разрядной трубки. Зависимость выходной мощности от тока разряда имеет резко выраженный максимум (рис.5). Первоначально мощность генерации возрастает вместе с увеличением тока. Затем начинает проявляться электронное возбуждение уровней 2p и 3p с метастабильного уровня 1s. Вследствие этого возрастает населенность нижних рабочих уровней, а инверсия и мощность излучения падают вплоть до срыва генерации. Максимум мощности достигается при общем давлении в кювете порядка 1мм рт. ст. и токе разряда величиной ≈50 мА.

С ростом общего давления в смеси увеличивается концентрация атомов гелия и неона, и растут населенность возбужденных уровней и выходная мощность. Но при высоком давлении, когда концентрация частиц в разряде становится большой, уменьшается длина свободного пробега электрона и соответственно уменьшается энергия, приобретаемая электроном на этом пути в электрическом поле, что и приводит к уменьшению энергии, передаваемой атомами гелия, и к снижению мощности излучения. Оптимальное давление примерно 100 Па.

Рис. 6 Распределение мощности излучения лазера в поперечном сечении луча

Вследствие значительных размеров кюветы может быть получена расходимость луча порядка 1'. Распределение мощности излучения лазера по поперечному сечению луча в двух плоскостях показано на (рис.6). Как видно распределение носит нормальный характер. Чем дальше поперечная плоскость, тем шире луч и меньше мощность в центре луча, а удельная мощность (мощность на единицу площади) остается постоянной.

Коэффициент полезного действия гелий-неоновых лазеров невелик порядка 1%.

Рассмотрим газодинамический лазер с тепловой накачкой и смещением газов в камере сгорания являющийся разновидностью молекулярных лазеров.

Газодинамический лазер (гдл).

В газодинамическом лазере инверсная населенность энергетических уровней достигается за счет колебательной релаксации, вызываемой столкновением молекул в процессе сверхзвукового расширения газа и резким снижением его температуры и давления за время, гораздо меньшее, чем это требуется для рел

Рис.7

аксации верхних энергетических уровней. Схема лазера, в котором реализуется данный способ получения инверсной населенности, показана на рис. 7. В камеру сгорания А поступает жидкое топливо и окислитель. При сгорании топлива образуется углекислый газ СО2. Горячий газ смешивается с азотом и водяными парами, в результате чего образуется высокотемпературная (Т = 1400К ) газовая смесь. В этой разогретой смеси ее молекулы CO2 возбуждаются и переходят на более высокие уровни. Тепловое равновесие системы достигается уже при более высокой населенности верхних уровней возбужденными молекулами, чем это имеет место при обычной температуре. Однако число молекул на нижних уровнях все же превышает их число на верхних, поэтому индуцированное излучение отсутствует. Для создания инверсной населенности необходимо обеспечить условия, при которых нижние уровни обедняются, а верхние сохраняют свою населенность.

С этой целью разогретая смесь газов под большим давлением прокачивается со сверхзвуковой скоростью через сопло. В камере Б происходит быстрое расширение газовой смеси, сопровождающееся ее охлаждением до Т - 354К, что вызывает уменьшение числа возбужденных молекул CO2. Но вследствие того, что верхний уровень возбуждения имеет большее время жизни (время нахождения на нем молекул CO2), чем нижний, населенность нижнего уровня падает быстрее, чем верхнего, и уже на расстоянии 3 см от сопла она практически исчезает. Возникает инверсная населенность, приводящая к индуцированному излучению на длине волны = 10.6 мкм. Это условие сохраняется и в камере резонатора.

В лазерах этого типа, построенных по схеме рис. 7, мощности генерации составляли около 60 кВт, а в импульсном режиме с длительностью импульса 4 с среднее значение мощности достигало уже 400 кВт. К недостаткам данной схемы следует отнести то, что в камере сгорания вместе с азотом охлаждаются другие компоненты смеси (C02, H2O или Не), и поэтому молекулы этих газов действуют как примеси, уменьшая эффективность накачки. Кроме того, газовую смесь необходимо нагреть до максимальной температуры. Однако критическая температура для CO2, при которой начинается диссоциация молекул, лежит в области Т=2300К, а диссоциация азота происходит при Т > 4000К. Поэтому предварительное смешение газовой смеси или получение ее в камере сгорания не использует всех потенциальных возможностей данной активной среды.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры – это оптические квантовые генераторы, в которых в качестве активного вещества используются кристаллические или аморфные диэлектрики. Рассмотрим твердотельные лазеры на примере рубинового лазера.

Принцип действия рубинового лазера.

Энергетическая диаграмма рубина представлена на Рис.8. Создание инверсной населенности в рубине происходит по 3х-уровневой схеме с использованием метода оптической накачки.

Рис. 8

Энергетическая диаграмма рубина

Энергетический уровень E1 – основное состояние иона хрома в рубине. Помимо основного имеется два нижних уровня возбуждения E2 и E2', разделенных малым энергетическим интервалом (~ 10-4эВ). Эти уровни характеризуются большим временем жизни носителей (~ 10-3c).

Более высокие уровни энергии E3 и E4 образуют широкие энергетические полосы (порядка 10эВ). Время жизни частиц в этих энергетических состояниях весьма мало (~ 10-8с).

При облучении кристалла рубина светом ксеноновой лампы наблюдается интенсивное поглощение в диапазоне волн 0,41..0,56 мкм и заселяются энергетические полосы E3 и E4. Эти состояния не долговечны, и в результате безызлучательных переходов частицы быстро переходят в состояния E2 и E2’, рассеивая свою энергию на тепловых колебаниях кристаллической решетки. Вероятность переходов E3 E1 и E4 E1 очень мала.

Вследствие достаточно большого времени жизни на уровне E2 его населенность увеличивается и при интенсивных переходах E1 E3 и E1 E4 на переходе E2 E1 создается инверсная населенность частиц.

Индуцированное излучение возникает на одной из двух линий R1 или R2, соответствующих переходам E2 E1 и E2’ E1.

Обычно рубиновый лазер генерирует на линии R1, для которой легче реализуются пороговые условия. Время релаксации частиц между уровнями E2 и E2’ равно 10-7с. Поэтому при возникновении генерации на линии R1 распределение частиц на уровнях E2 и E2’ быстро переходят в состояние термодинамического равновесия (N2 > N2’) и пороговое соотношение для генерации на линии R2 не выполняются.

Устройство рубинового лазера.

Рис. 9

«Устройство рубинового лазера»

1 – Рубин; 2 – Зеркала; 3 – Ксеноновая лампа; 4 – Отражатель.

На Рис.9 схематически представлено устройство рубинового лазера. Рабочим веществом является рубин. Активный элемент лазера изготавливают в виде стержня круглого или квадратного сечения, с поперечным размером от 1 – 2 мм до 2 – 3 см. Длина стержня может быть различной, примерно 2 – 60 см. Торцы стержня используются, как правило, в качестве основы для изготовления зеркал, образующих оптический резонатор. Поэтому их плоскости должны быть строго параллельны. Поверхности торцевых плоскостей шлифуются и полируются, затем на них наносятся зеркала.

Кристалл рубина в виде стержня с параллельными зеркально отражающими торцевыми плоскостями охвачен газоразрядной лампой с ксеноновым наполнением. Все устройство помещено в кожух с хорошо отражающей внутренней поверхностью.

При подаче импульса высокого напряжения на ксеноновую лампу в ней возникает электрический разряд. Спектр излучения лампы достаточно широкий. Часть этого излучения, отражаемого внутренней поверхностью кожуха, интенсивно поглощается рубином в зеленой и фиолетовой областях спектра. За счет этого поглощения ионы хрома переходят на более высокие энергетические уровни, т.о. в кристалле создается инверсная населенность. Как только число активных частиц на верхнем уровне превысит пороговую величину, возникает генерация излучения.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер – оптический квантовый генератор, активные элементы которого изготавливают из полупроводниковых материалов. Рассмотрим полупроводниковые лазеры на примере инжекционного лазера (лазер на p-n переходе).

Конструкция зеленого полупроводникового DPSS лазера (используется в лазерных указках)

Принцип действия инжекционного лазера.

Рис. 10

«Энергетическая диаграмма p-n перехода для вырожденных полупроводников»

Излучение полупроводниками электромагнитных колебаний оптического диапазона является результатом рекомбинационных процессов носителей тока: электронов и дырок. Рекомбинация этих частиц сопровождается выделением энергии, равной по величине разности их энергетических состояний. В ряде случаев, эта энергия может выделяться в виде фотона. Излучение может наблюдаться при различных процессах рекомбинации. Это переход электронов:

а) из зоны проводимости в валентную зону или на локальные уровени акцепторов;

б) с локального уровня доноров в валентную зону;

в) между локальными уровнями доноров и акцепторов;

г) из экситонного состояния в валентную зону или на уровни примесей.

Рис.11

1 – p-слой; 2 – n-слой; 3 – p-n переход; 4 – отражающая поверхность; 5 – выводы.

Инверсная населенность образуется вблизи р-n перехода при подаче на него внешнего напряжения U в прямом направлении (Рис.10). В результате уменьшения потенциального барьера, под воздействием внешней разности потенциалов, развивается процесс инжекции основных носителей, глубина проникновения которых ограничивается примыкающей к переходу областью. В этой области вследствие большой концентрации разноименно заряженных частиц и происходит основная масса актов рекомбинации с выделением фотонов, частота которых .

Интенсивность актов рекомбинации и, следовательно, излучения зависит от величины тока, текущего через р-n переход. Генерация возникает при величинах токов, превышающих пороговое значение.

Устройство инжекционного лазера.

Устройство данного лазера показано на Рис.11. К металлической пластине припаян кристалл полупроводника. Чаще всего в инжекционных лазерах в качестве активного вещества используется арсенид галлия (GaAs).

Электронно-дырочный переход образуется методом диффузии в пластину GaAs n- типа атомов Zn (акцепторных атомов). Концентрации свободных носителей как в p-, так и в n- области высоки, и, следовательно, p-n переход создается на границе вырожденных полупроводников.

Внешняя поверхность p- слоя металлизируется и к ней, как и к металлической пластине – основанию, привариваются контактные выводы. Кристалл полупроводника с линейными размерами порядка десятых долей миллиметра имеет форму неправильной усеченной четырехгранной пирамиды. Две боковые грани параллельны, их поверхности отполированы. Во избежание оптического резонанса между двумя другими гранями они скошены под углом к основанию, а поверхности их оставлены необработанными.

На грани, образующие оптический резонатор, не наносят никакого покрытия для увеличения коэффициента отражения.

Статью про конструкции лазеров я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое конструкции лазеров, лазер, лазеры и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Квантовая электроника