Лазерное излучение и его применение

              

           Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока конденсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок конденсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпрямительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденсаторы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещества рубинового стержня, то рассмотрим его устройство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина сменные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров.

         Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный – 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой температуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их делают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внутренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 – это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.

     5.2 Газовый лазер.

     Для таких лазеров в качестве активного  вещества используют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней. В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм. 
 
 

      E, э-В

                        He⁺                        Ne⁺

     25                        

     20          2                                  

     19         3

                                             4

                           

       0                   He                       Ne

             1                      1                                   

             

     Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси.

     5.3 Жидкостный лазер.

     В этих лазерах рабочей средой служат жидкие диэлектрики с примесными рабочими атомами. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жидкостях. можно получить структуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых. не нужно ни варить стекло высокого качества, ни растить були для кристаллов. Во-вторых, жидкостью можно заполнять любой объем, а это облегчает охлаждение активного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.

     Разработан  метод получения жидких активных веществ с примесями гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению стимулированного излучения жидкое вещество помещали в резонатор со сферическими зеркалами, подобный тем, которые используют в газовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в непрерывном режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочей системам.

     Был создан и исследован жидкостный лазер  с активным веществом, которое излучало в диапазоне 0,5...0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо проникает в воду на большие глубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подводных локаторов.

      

     5.4 Полупроводниковый лазер.

     В создании полупроводникового лазера приоритет  принадлежит советским ученым.

     Принцип работы полупроводникового лазера может  быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы. Нижняя представляет собой валентную зону, а верхняя – зону проводимости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют «дырками». Эти дырки играют роль положительного заряда. Произойдёт перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны.

     5.5 Химический лазер.

     Химическим  лазерам приписывают практическое использование в самом ближайшем будущем. Они работают без электрического питания. Для этого потоки химических реагентов должны перемещаться и реагировать. Инверсия населенностей уровней энергии возникает при возбуждении энергией, выделяющейся в химической реакции. Для химического лазера имеется принципиальная возможность работы без внешнего источника электрической энергии. Вся необходимая энергия может быть получена за счет химической реакции. В одном из наиболее перспективных химических лазеров основные процессы могут быть представлены следующей серией реакций:

     F + H₂ ® HF* +  Н;

     H + F₂ ® HF* + F;

     HF* ® HF + hn.

     В первой реакции для инициирования  необходим свободный атом фтора. Одной из постоянных проблем химических лазеров является разработка методов эффективного получения таких свободных атомов. Возбужденная молекула HF (обозначаемая HF*), возникающая при такой реакции, может находиться в возбужденном состоянии, являющемся верхним уровнем лазерного перехода. Третья реакция выражает переход в нижнее лазерное состояние, которое не заселяется при химической реакции. Оно сопровождается испусканием квантов световой энергии hv. Таким образом, инверсия населенностей возникает автоматически всякий раз после того, как протекает химическая реакция, и в качестве конечного продукта возникают молекулы в возбужденном состоянии. Для инициирования реакции, т. е. для первоначального создания свободных атомов, может потребоваться электрическая энергия, но как только реакция началась, образуются свободные атомы и эти реакции будут непрерывно продолжаться. Наиболее хорошо разработанными лазерами являются лазеры на фтористом водороде, работающие на многих длинах волн, расположенных в диапазоне 2,6...3,6 мкм, а также лазер на окиси углерода, генерирующий на длинах волн около 5 мкм. Химические лазеры, работающие в непрерывном режиме, дают выходную мощность около нескольких киловатт. Они работают без электрического питания, используя смешение втекающих химических компонентов. Такой лазер похож на работающий реактивный двигатель, поскольку рабочая химическая смесь со сверхзвуковой скоростью прокачивается через резонатор, а энергия, выделяющаяся при химической реакции, из резонатора с помощью зеркал выводится и направляется в требуемом направлении.

     Йодный  лазер относится к фотодиссационным лазерам, так как в нем используется эндотермический процесс, в отличие от химических лазеров (действие которых основано на использовании экзотермических химических реакций).

     5.6 Ультрафиолетовый лазер.

     До  этого были рассмотрены лазеры, излучающие в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Важное значение имеют ультрафиолетовый и рентгеновский участки диапазона спектра частот. Однако первый освоен крайне слабо. Создана часть приборов на аргоне, криптоне и азоте. Они излучают в диапазоне волн 0,29...0,33 мкм и имеют очень незначительную мощность. Лишь работы последнего времени показали, что могут быть созданы и лазеры высокой мощности. Для этого пригодны так называемые эксимерные лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне. На практике эксимерный лазер представляет собой газовую камеру высокого давления (до десятков атмосфер). Внутри камеры установлены зеркала с диэлектрическими покрытиями. Возбуждение осуществляется импульсным пучком быстрых электронов, которые вводятся в газ. В некоторых экспериментах использовались импульсы тока 70 кА электронов с энергией 1 МэВ.

     5.7 Лазер на свободных электронах.

     Принцип действия такого лазера основан на преобразовании энергии спектрального пучка релятивистских электронов в магнитном поле в излучение в оптическом диапазоне волн.  

     Схема лазера на                                                                                  свободных электронах: 

     1-зеркало; 2-пучок; 3-луч лазера; 4-знакопеременное магнитное поле;   5-ускоритель электронов.

                               

       

     Из  рисунка видно, что ускорителем электронов является устройство, выполненное в виде тороида, вокруг которого располагаются магнитные катушки. Магнитное поле, создаваемое этими катушками, управляется по определенному закону, обеспечивающему ускорение электронов от одного оборота к другому. Это позволяет получить очень высокие скорости электронов. Выбрасываемые из тороида электроны попадают в устройство, называемое линейным ускорителем. Оно образовано магнитами с чередующимися полюсами. Это устройство напоминает резонатор. В нем образуется оптическое излучение, которое и выводится наружу. Поскольку процесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение осуществляется непосредственно, то такой лазер обладает высоким кпд и может работать в режиме повторяющихся импульсов. Другим, очень важным преимуществом лазера на свободных электронах, как утверждается, является возможность перестройки длины волны излучения, что особенно важно для обеспечения более эффективного прохождения излучения в атмосфере. Первые экспериментальные установки были слишком громоздкими. Ряд последующих образцов позволил зарубежным специалистам высказать мнение, что в будущем лазеры на свободных электронах найдут применение в системах оружия, размещаемого на космических и авиационных летательных аппаратах

     5.8 Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ).

     Этот  лазер получил широкое распространение, благодаря низкому порогу генерации и высокой теплопроводности активного элемента, что позволяет получать генерацию при большой частоте повторения импульсов и в непрерывном режиме.

     Длина волны излучения лазера равна 1,064 мкм, максимальная длина активного элемента около 150 мм, энергия в одиночном импульсе до 30 Дж, длительность импульсов около 10 нс, а предельная частота повторения – 500, кпд около 1 %.

     5.9 Апротонный жидкостный лазер.

     Свое  название этот лазер получил потому, что в неорганических растворителях с активными лазерными ионами отсутствует водород. Именно отсутствие групп атомов с высококолебательными частотами и позволяет осуществить в них эффективную лазерную генерацию Nd³⁺ по четырехуровневой схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неодима.

     Эти лазеры имеют в своей основе токсичные  и вязкие жидкости, которые к тому еще и агрессивны, что значительно сужает выбор возможных конструкционных материалов (кварц, стекло, тефлон) и вынуждает производить тщательную герметизацию кювет. Весьма сложной задачей является конструирование узлов прокачки рабочей жидкости.

     Длина волны генерации составляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут работать как  в режиме свободной генерации, так и в моноимпульсном режиме, причем для них характерен режим самомодуляции добротности, проявляющийся при малых значениях добротности резонатора.

     5.10 Лазер на парах меди.

     Одним из достижении лазерной техники является получение стимулированного излучения от среды, образованной парами меди. Эти пары являются следствием газового разряда в гелии при большой частоте повторения импульсов и значительной средней мощности, обеспечивающей получение высокой температуры в газоразрядной трубке – около 1600 °К. Излучение сосредоточено на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокого коэффициента усиления, такие лазеры дают кпд, доходящий до 1%. Средняя мощность лазера достигает 50Вт.

     В связи с большим коэффициентом  усиления и малой длительностью  существования инверсии населенности для получения достаточно малой  расходимости луча эффективно применение неустойчивых резонаторов.

     5.11 Газодинамический лазер.