Квантові генератори світла на твердому тілі

Оптичний квантовий генератор складається з трьох основних елементів:

- активної речовини, що є джерелом інду­кованого випромінювання,

- джерела збудження (підкачу­вання), що постачає енергією активну речовину,

- резонанс­ної системи.

Активною речовиною у лазері може бути твер­де, газоподібне або рідке тіло. Вперше принципи роботи квантових генераторів на твердому тілі були перевірені на кристалі рубіна. Червоний колір рубіна пояснюється тим, що при освітленні його природним світлом частина атомів хрому збуджується, а потім спонтанно переходить з верх­ніх енергетичних рівнів на нижні, випромінюючи при цьому червоне світло, яке ми й бачимо. Рубіновий гене­ратор випромінює імпульси світла на хвилі близько 0,7 мк з дуже вузькою смугою (менше 1Å).

Будова рубінового генератора показана на рис.

1-охолоджувач, 2-пружина, 3-скляна трубка, 4-рубін, 5-імпульсна лампа, 6-вихідний пучок, 7-джерело живлення.

 

Кристал рубіна виготовляється у вигляді стержня довжи­ною близько 4 см і діаметром близько 0,5 см. Довжина і діаметр можуть бути й іншими, але, як правило, знаходя­ться в межах 0,1-2 см по діаметру і 2-23 см - по довжи­ні. Торці рубінового стержня полірують до одержання оп­тичноплоскої поверхні. Срібне по­криття наноситься так, що одна торцева поверхня рубіна стає повністю відбивальною, а друга може мати коефіцієнт пропускання від 5 до 80%. Коефіцієнт відбивання від них рідко перевищує 85 або 90%. Якщо необхідно одер­жати більший коефіцієнт відбивання, використовують ба­гатошарові діелектричні плівки.

Ккд лазера визначається як відношення когерентно випромінюваної енергії до електричної енергії, яка затра­чається у імпульсній лампі, і є функцією багатьох параметрів. До них відносяться спектральні характеристи­ки імпульсної лампи.

Крім рубіна, для створення квантових генераторів на твердому тілі застосовують окис магнію МgO, топаз, сма­рагд, уваровіт, уран та ін. Усі ці матеріали мають широкі смуги поглинання і їх люмінесцентні переходи дають лінії, що лежать у червоній області світлового спектра.

Хороші наслідки були досягнуті в дослідах з фтористим кальцієм СаF₂ з домішками тривалентного урану або самарію. Є по­відомлення про створення лазера, в якому використовує­ться кристал вольфрамату кальцію СаWO₄ з домішкою іонів неодиму. Робляться спроби використання як активної ре­човини люмінесцентних матеріалів типу скла. Випробовувались лазери на склі з домішками неодиму, також із застосуванням органічного скла. Найбільш складною технічною проблемою, що стоїть перед вченими, які розробляють лазери, є відведення тієї частки енергії випромінювання у кристалі, яка пере­творюється у тепло.

Нагрівання має великий вплив на роботу кристалічних квантових генераторів. Експерименти показують, що ге­нератор на рубіні перестає працювати, як тільки він пере­гріється. Внутрішнє нагрівання активної речовини не до­зволяє створювати генератори світла на твердому тілі, що працюють у безперервному режимі, навіть якщо як охоло­джувач використовується рідкий азот. При нагріванні ак­тивної речовини розширюється лінія випромінювання гене­ратора.

Лазер на іонах неодима. Найбільш поширеним класичним лазером, випромінюючим в ближній інфрачервоній області спектру (1,06 мкм), є лазер на іттрій-алюмінієвом гранаті з неодімом. Робочими частинками в нім є іони неодіма Nd³⁺, і лазер працює за так званою чотирьохрівневою схемою.

Кристали іттрій-алюмінієвого граната Y₃Al₅O₁₂: Nd³⁺ володіють винятковим набором властивостей, що робить їх вельми відповідним матеріалом для твердотілих лазерів. Вони прозорі в дуже широкій спектральній області (0,2-5 мкм), механічно міцні, володіють високою променевою стійкістю, а по теплопровідності поступаються трохи тільки корунду Al₂O₃, теплопровідність якого приблизно така ж, як у міді. Кристалічна структура іттрій-алюмінієвого граната (ІАГ) допускає введення значних концентрацій іонів Nd³⁺.

В даний час технологія вирощування монокристалів ІАГ добре розроблена. Лазер на ІАГ має низький поріг генерації. Таким чином, здавалося, що цей матеріал ідеально підходить для створення високоефективних лазерів. Проте з'ясувалося, що через так званого концентраційного гасіння люмінесценції він не може бути використаний для мініатюрних високоефективних лазерів.

Основною частиною лазера, як відомо, є активний елемент. У твердотільному лазері це кристалічний або скляний стрижень. Найбільш споживаними активними частинками впродовж 35 років є іони рідкоземельного елементу неодіма Nd³⁺ (Z = 60). Елекронная конфігурація цього іона така, що його енергетичний спектр, тобто сукупність енергій, якими може володіти цей іон, дозволяє здійснювати найбільш енергетично вигідну чотирьохрівневу схему роботи лазера.

Лазери, побудовані на кристалах з повним заміщенням іонів ітрію іонами неодіма, тобто на кристалах NdAl₃(BO₃) ₄, мають низькі пороги генерації і високий ККД. Проте із-за дуже складної технології отримання цих кристалів лазери з ними не набули поширення.

 

Напівпровідникові лазери

 

Як активна речовина у лазері можуть застосовуватись і напівпровідникові матеріали. Лазери такого типу називають напівпровідниковими або інжекційними.

У напівпровідникових лазерах можливе пряме перетворення електричної енергії у енергію світлового випромінювання, в результаті чого можна одержати високий к.к.д близько 100%.

Енергетичні рівні напівпровідника показані на рисунку.

Зона провідності 1 і валентна зона 5 розділені зобороненою зоною 6 (рівні, які не можуть бути зайняті електронами даної речовини).

У кристалі можуть також виникнути рівні 2, 3, 4 пов'язані з наявністю тих або інших порушень кристалічної структури.

Стани електронів у зоні провідності і валентній зоні утворюють безперервний спектр власних значень енергії. У ідеальному напівпровіднику число електронів у зоні провідності в точності дорівнює числу дірок (не зайнятих електроном місць) у валентній зоні. В реальному напівпро­віднику число носіїв струму визначається наявністю в ньому сторонніх домішок.

Когерентне випромінювання світла напівпровідниковими речовинами викликане реком­бінацією електронів і дірок, що роблять переходи між енергетичними зонами напівпровідника, а також між домішуваними рівнями.

Якщо електрону надати додаткову енергію ззовні, він перейде на більш високий енергетичний рівень, що лежить у зоні провідності. При повернені електрона у валентну зону відбувається рекомбінація пари електрон—дірка, що супроводжується виділенням енергії у вигляді кванта світлового випромінювання.

Якщо пропускати через напівпровідниковий матеріал з р-п переходом електричний струм у прямому напрямі, то відбувається збудження електронів, які віддають потім надлишок енергії у вигляді світлових квантів.

У 1962 р. був розроблений напівпровідниковий лазер з активною речовиною з арсеніду галію, що мав шарову структуру типу площинного діода. У арсенід галію вкраплений свинець з цинком або телурій. Будова такого генератора показана на рис.

Активний матеріал складається з арсеніду галію n-типу і р-типу.

Площина р – n переходу 6 горизонтальна. Сам напівпровідник має форму зрізаної піраміди, нижня частина якої знаходиться на плоскому електроді. Передня і задня поверхні піраміди паралельні і дуже старанно відполіровані. Ці поверхні утворюють резонатор, настроєний на довжину хвилі 0,85 мк.

Працює лазер при температурі 77 К. Для інжекції носіїв зарядів використовуються імпульси струму тривалості 5-20 мксек. При густині струму, близькій до 8500 А/см² інтенсивність випромінювання швидко зростає.

Коефіцієнт перетворення електричної енергії у інфрачервоне випромінювання дорівнює 85%. Інтенсивність ви­промінювання останніх зразків напівпровідникових лазерів досягає 2500 Вт/см². Імпульсні потужності напівпро­відникових лазерів, активна область яких має розмір булавочної головки, становлять 3 Вт при к. к. д. близько 100%.

Напівпровідникові оптичні генератори можуть працю­вати в імпульсному і безперервному режимах.

 

Інші типи лазерів

1.Рідкий лазер

У твердих речовинах можна створити велику концентрацію випромінюючих атомів і отримати велику енергію, але їх важко робити, вони дорогі і можуть руйнуватися від перегріву. Гази дуже однорідні і володіють унікальними властивостями, але мають малу концентрацію атомів в активному середовищі і повинні мати великі розміри, для створення значної потужності. Щільність рідини всього в два-три рази нижче за щільність твердих тіл, тому кількість атомів одиниці об'єму має той же порядок, що і в твердотільних лазерах. Оптична однорідність рідин не поступається однорідністю газів, а значить, дозволяє використовувати її великі об'єми.

Була виявлена цікава особливість: якщо солі неодіма розчинити і на основі цього розчину зробити лазер, то його смуга випромінювання буде в сотні разів вужчий, ніж у твердотільного лазера на іонах неодіма. До того ж спектр випромінювання значно менше залежатиме від зовнішніх умов і випромінюваної потужності.

Лазер на фарбниках

Унікальними властивостями володіють лазери на фарбниках. Їх робоча рідина - розчин анілінових фарб у воді, спирті, кислоті і інших розчинниках. Енергія молекули фарбника накачується оптично за допомогою рубінового або газового лазера. Лазери на фарбниках володіють однією особливістю: у молекулах органічних фарбників вимушене випромінювання виникає відразу в широкій смузі довжин хвиль. Щоб добитися монохроматічності, на шляху променя ставиться світлофільтр, що є оптичною системою, проникною випромінювання строго певної довжини хвилі. Параметрами фільтру можна управляти. В результаті виходить перебудовуваний лазер, тобто лазер, у якого можна легко змінювати частоту випромінювання, що генерується. Для перебудови частоти в широких межах можна міняти розчин фарбника, отримуючи лазер, що генерує світло на всьому діапазоні хвиль від ультрафіолета до інфрачервоного випромінювання. Так, наприклад, працює перебудовуваний лазер “Веселка”.

Таблица параметров наиболее распространённых лазеров различных типов, рабочие длины волн, области применения

Газовые лазеры

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Гелий-неоновый лазер	632,8 нм (543,5 нм, 593,9 нм, 611,8 нм, 1,1523 мкм, 1,52 мкм, 3,3913 мкм)	Электрический разряд	Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.
Аргоновый лазер	488,0 нм, 514,5 нм, (351 нм, 465,8 нм, 472,7 нм, 528,7 нм)	Электрический разряд	Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.
Криптоновый лазер	416 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм, 676.4 нм, 752,5 нм, 799,3 нм	Электрический разряд	Научные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу.
Ксеноновый лазер	Множество спектральных линий по всему видимому спектру и частично в УФ и ИК областях.	Электрический разряд	Научные исследования.
Азотный лазер	337,1 нм	Электрический разряд	Накачка лазеров на красителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры.
Лазер на фтористом водороде	2,7 – 2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6 – 4,2 мкм (фторид дейтерия)	Химическая реакция горения этилена и трёхфтористого азота (NF3)	Лазерные вооружения. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей.
Химический лазер на кислороде и иоде (COIL)	1,315 мкм	Химическая реакция в пламени синглетного кислорода и иода	Научные исследования, лазерные вооружения. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей.
Углекислотный лазер (CO2)	10,6 мкм, (9,4 мкм)	Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд	Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.
Лазер на монооксиде углерода (CO)	2,6 – 4 мкм, 4,8 – 8,3 мкм	Электрический разряд	Обработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.
Эксимерный лазер	193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)	Рекомбинация эксимерных молекул при электрическом разряде	Ультрафиолетовая литография в полупроводниковой промышленности, лазерная хирургия, коррекция зрения.

 

Лазеры на красителях

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Лазер на красителях	390—435 нм (Stilbene), 460—515 нм (Кумарин 102), 570—640 нм (Родамин 6G), другие	Другой лазер, импульсная лампа	Научные исследования, спектроскопия, косметическая хирургия, разделение изотопов. Рабочий диапазон определяется типом красителя.

 

Лазеры на пара́х металлов

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Гелий-кадмиевый лазер на парах металлов	440 нм, 325 нм	Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.	Полиграфия, УФ детекторы валюты, научные исследования.
Гелий-ртутный лазер на парах металлов	567 нм, 615 нм	Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.	Археология, научные исследования, учебные лазеры.
Гелий-селеновый лазер на парах металлов	до 24 спектральных полос от красного до УФ	Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.	Археология, научные исследования, учебные лазеры.
Лазер на парах меди	510,6 нм, 578,2 нм	Электрический разряд	Дерматология, скоростная фотография, накачка лазеров на красителях.
Лазер на парах золота	627 нм	Электрический разряд	Археология, медицина.

 

Твердотельные лазеры

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Рубиновый лазер	694,3 нм	Импульсная лампа	Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазеров (1960).
Алюмо-иттриевые лазеры с неодимовым легированием (Nd:YAG)	1,064 мкм, (1,32 мкм)	Импульсная лампа, лазерный диод	Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров. Один из самых распространённых лазеров высокой мощности. Обычно работает в импульсном режиме (доли наносекунд).
Лазер на фториде иттрия-лития с неодимовым легированием (Nd:YLF)	1,047 и 1,053 мкм	Импульсная лампа, лазерный диод	Наиболее часто используются для накачки титан–сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.
Лазер на ванадате иттрия (YVO4) с неодимовым легированием (Nd:YVO)	1,064 мкм	Лазерные диоды	Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.
Лазер на неодимовом стекле (Nd:Glass)	~1,062 мкм (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла)	Импульсная лампа, Лазерные диоды	Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты от 351 нм в устройствах лазерной плавки.
Титан-сапфировый лазер	650—1100 нм	Другой лазер	Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования.
Алюмо-иттриевые лазеры с тулиевым легированием (Tm:YAG)	2,0 мкм	Лазерные диоды	Лазерные радары
Алюмо-иттриевые лазеры с иттербиевым легированием (Yb:YAG)	1,03 мкм	Импульсная лампа, Лазерные диоды	Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры.
Алюмо-иттриевые лазеры с гольмиевым легированием (Ho:YAG)	2,1 мкм	Лазерные диоды	Медицина
Церий-легированный литий-стронций(или кальций)-алюмо-фторидный лазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF)	~280–316 нм	Лазер Nd:YAG с учетверением частоты, Эксимерный лазер, лазер на парах ртути.	Исследование атмосферы, лазерные дальномеры, научные разработки.
Александритовый лазер с хромовым легированием	Настраивается в диапазоне от 700 до 820 нм	Импульсная лампа, Лазерные диоды. Для непрерывного режима – дуговая ртутная лампа	Дерматология, лазерные дальномеры.
Оптоволоконный лазер с эрбиевым легированием	1,53–1,56 мкм	Лазерные диоды	Оптические усилители в оптоволоконных линиях связи.
Лазеры на фториде кальция, легированном ураном (U:CaF2)	2,5 мкм	Импульсная лампа	Первый 4-х уровневый твердотельный лазер, второй работающий тип лазера (после рубинового лазера Маймана), охлаждался жидким гелием, сегодня не используется.

 

Полупроводниковые лазеры

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Полупроводниковый лазерный диод	Длина волны зависит от материала: 0,4 мкм (GaN), 0,63–1,55 мкм (AlGaAs), 3–20 мкм (соли свинца)	Электрический ток	Телекоммуникации, голография, лазерные целеуказатели, лазерные принтеры, накачка лазеров других типов. AlGaAs-лазеры (алюминий-арсенид-галлиевые), работающие в диапазоне 780 нм используются в проигрывателях компакт-дисков и являются самыми распространёнными в мире.

 

Другие типы лазеров

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Лазер на свободных электронах	могут излучать и настраиваться в широком спектре излучения	Пучок релятивистских электронов	Исследования атмосферы, материаловедение, медицина, противоракетная оборона.
Псевдо-никелевый самариевый лазер	Рентгеновское излучение 7.3 нм	Излучение в сверхгорячей плазме самария, создаваемое двойными импульсами лазера на неодимовом стекле. [1]	Первый демонстрационный лазер, работающий в области жесткого рентгеновского излучения. Может применяться в микроскопах сверхвысоко разрешения и голографии. Его излучение лежит в «окне прозрачности» воды и позволяет исследовать структуру ДНК, активность вирусов в клетках, действие лекарств.

 

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%B4%D1%8B_%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B2#.D0.93.D0.B0.D0.B7.D0.BE.D0.B2.D1.8B.D0.B5_.D0.BB.D0.B0.D0.B7.D0.B5.D1.80.D1.8B

Напівпровідникові лазери