Классификация лазеров.
Квантовые приборы классифицируют различными способами по основным признакам: 1. по диапазону длин волн. 2. по агрегатному состоянию активной среды. 3. по режиму работы и методам управления выходным излучением (импульсный, непрерывный, усиление, сверхизлучение) 4. по типу активного вещества 5. по числу уровней активных частиц, участвующих в генерации излучения (трехуровневая , четырехуровневая системы) и методам получения инверсной населенности (пространственного разделения пучка атомов или молекул; в процессе проведения химической реакции создание возбужденных молекул или атомов; газоразрядное возбуждение атомов или оптической накачки). 6. по типу резонатора и образующих его зеркал и по методу селекции типов колебаний.
1. По диапазону длин волн квантовые приборы делят на мазеры (СВЧ диапазон) и лазеры (оптический диапазон) • • • Лазеры могут быть: инфракрасные (0, 76 10 -6 м < < 10 -4 м) видимого света (0, 38 10 -6 м < < 0, 76 10 -6 м) ультрафиолетовые (10 -8 м < < 0, 38 10 -6 м) рентгеновские (10 -12 м < < 10 -8 м) гамма-лазеры ( < 10 -12 м).
• Первым квантовым генератором, стал мазер, работающий на молекулах аммиака NH 3. • Мазер, построенный Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, имел медный резонатор длиной 12 сантиметров и генерировал излучение частотой 6— 8 килогерц.
Николай Геннадьевич Басов (вверху) и Александр Михайлович Прохоров создали строгую теорию процессов в молекулярных генераторах и построили первый отечественный мазер на молекулах аммиака.
В зависимости от агрегатного состояния активной среды приборы квантовой электроники делятся на: твердотельные (на основе диэлектриков), полупроводниковые, жидкостные, газовые, плазменные.
Твердотельные лазеры. • Первый твердотельный лазер был описан Мейманом в 1960 году. • Отличительной особенностью твердотельных лазеров является относительно высокая концентрация активных частиц, что приводит к высоким коэффициентам усиления и большим мощностям генерации.
По типу активных веществ т. л. делят на 4 группы: 1. использующие в качестве вещества ионы металлов переходных групп с 3 d-оболочкой в кристаллах. Типичный представитель ионных кристаллов – рубин, вольфрамат кальция с ионами неодима, иттриевый - алюминиевый гранат с ионами неодима 2. резкоземельные ионы с 4 f-оболочкой в кристаллах и стеклах. Примеры стеклянных сред – силикатные, фосфатные, боратные стекла, активированные ионами неодима, гольмия, иттербия и эрбия. Преимущества неограниченные размеры стержней, простота изготовления и массового производства, высокая оптическая однородность. Недостатки - низкая теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения. (созданы лазеры на стекле, активированные ионами неодима, иттербия, эрбия, гольмия. Лучшим оказался неодимовый лазер. 3. ионы актинидов с 5 f -оболочкой в кристаллах; 4. редкоземельные органические комплекса, так называемые хелаты.
По режиму работы твердотельные лазеры делятся на непрерывные и импульсные генераторы. • Импульсные лазеры в свою очередь делятся на лазеры, работающие в режиме свободной генерации, модулированной добротности, синхронизации мод, позволяющие получить импульсы вплоть до фемтосекунд.
Активное вещество активатор Длина волны, мкм Ширина линии, (1/см) Пороговая энергия, Дж рубин Cr+3 0, 694 21 400 Стекло неодимовы й Nd 3+ 1, 06 44 -85, 5 250 Иттрий алюминиев ый гранат (YAG), легированн ый неодимом Nd 3+ 1, 06 (работает как в импульсно м, так и в непрерывно м режиме 6, 5 10 -50 рубин
• 1. В зависимости от применяемых методов накачки различают следующие твердотельные лазеры: лазеры с оптической накачкой, использующие газоразрядные лампы; Первый отечественный рубиновый лазер со снятым кожухом. Видны лампа-вспышка и батарея питающих ее конденсаторов 2. 3. 4. 5. 6. лазеры, использующие систему накачки полупроводниковыми диодами; лазеры с накачкой по методу взрывающийся проволоки или пленки; лазеры с химическими методами накачки; лазеры, использующие оптическое излучение сжимающегося плазменного шнура; лазеры, с системой накачки, использующей рентгеновские лучи для возбуждения флуоресценции в кристаллических активных веществах.
Газовые лазеры - лазеры, в которых активная среда-газ, смесь газов или смесь газов с парами металлов. Особенность активной среды - ее высокая однородность и малая плотность, поэтому энергетический спектр возбужденных атомов, молекул испытывает малое воздействие со стороны других частиц. -Это приводит к узости спектральных линий; -позволяет использовать большие оптические резонаторы; -получить высокую направленность и монохроматичность, максимальную когерентность (как временную, так и пространственную). -Низкая плотность среды позволяет сосредоточить энергию в одной моде. - Путем подбора среды можно получить генерацию с любой части спектра. -Могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. -Основные механизмы возбуждения газов: электрический разряд (газоразрядные лазеры), химические реакции ( иногда в процессе разряда), газодинамические процессы.
Гелий-неоновый лазер • Светящийся луч в центре — это электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. • Гелий-неоновый лазер • Длины волн: 632, 8 нм (543, 5 нм, 593, 9 нм, 611, 8 нм, 1, 1523 мкм, 1, 52 мкм, 3, 3913 мкм) • Метод накачки: Электрический разряд • Применение: Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.
Мощный газовый лазер длиной несколько метров.
Молекулярные газовые лазеры в зависимости от типа участвующих в генерации переходов разделяют на три класса: 1. 2. 3. Лазеры на колебательно-вращательных переходах, использующие переходы между колебательными уровнями одного и того же (как правило, основного) электронного состояния. Поскольку расстояние между колебательными уровнями энергии имеет порядок десятых и сотых долей электрон-вольта, то эти лазеры работают в среднем ИК диапазоне (5. . . 100 мкм). Лазеры на электронно-колебательных переходах, использующие переходы между колебательными уровнями различных электронных состояний и работающие в видимой и ближней УФ-областях спектра. Лазеры на чисто вращательных переходах, использующие переходы между вращательными уровнями одного и того же электронноколебательного состояния и работающие в далеком ИК-диапазоне (25. . . 1000 мкм).
• Молекулярный СО 2 лазер - это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия. СО 2 является рабочим газом, N 2 способствует эффективному заселению верхнего лазерного уровня, а Не - обеднению нижнего. Оптимальное соотношение давлений СО 2 : N 2 : Не колеблется от 1: 1: 8 для лазеров низкого давления (Р Не ~2000 Па) до 1: 1: 1, 5 для лазеров высокого давления (Р>1 атм). • СО 2 -лазеры в зависимости от метода возбуждения подразделяют на газоразрядные и газодинамические лазеры. • В свою очередь газоразрядные СО 2 -лазеры можно разделить на пять типов: 1) лазеры с продольной прокачкой газа, • 2) отпаянные лазеры (не требующие непрерывной прокачки газа. Катализаторы регенерируют молекулы СО 2 из о 6 разующихся в газовом разряде молекул СО. Роль катализатора выполняют пары воды, добавляемые в газовую смесь (около 1%). • 3) волноводные лазеры, • 4) лазеры с поперечной прокачкой газа • 5) лазеры высокого давления с поперечным возбуждением. • Особенность СО 2 -лазеров: а) обладают очень высоким КПД (до 3% при 12 Вт, 10 к. Вт в непрерывном режиме – 10%); б) способны генерировать высокие мощности как в непрерывном, так в импульсном режиме; в) спектр излучения совпадает с окном прозрачности атмосферы (λ = 10, 6 мкм).
Газодинамический лазер • Газодинамический лазер — разновидность лазера газового, — напоминающий реактивный двигатель. Сгорающее в нем топливо создает поток горячих газов, ионы и молекулы которых возбуждены нагревом до тысячи с лишним градусов. Поток проходит через сопло и резонатор, где охлаждается и отдает энергию в виде непрерывного излучения мощностью до сотен киловатт
Эксимерные лазеры • Эксимерные лазеры – это группа лазеров, в которых активной средой является смесь инертного и галогенового газов. • “Эксимер” – аббревиатура английского словосочетания exited dimers (возбуждённые димеры), что означает нестабильное, возбуждённое электронное состояние димеров этих газов. • Эксимерные лазеры генерируют излучение в широком диапазоне длин волн УФ-области спектра: • фтор – 157 нм, аргон-фтор – 193 нм, криптон-хлор – 222 нм, криптон-фтор – 248 нм, ксенон-хлор – 308 нм, ксенон-фтор – 351 нм и • формировать наносекундные импульсы (10 - 16 нс).
Эксимерный лазер Первый эксимерный лазер был представлен в 1971 году Николаем Басовым, В. А. Даниличевым и Ю. М. Поповым, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в г. Москве. Лазер использовал димер ксенона (Xe 2), возбуждаемый пучком электронов для получения вынужденного излучения с длиной волны 172 нм. В дальнейшем стали использовать смеси благородных газов с галогенами (например, Xe. Br). Работают в импульсном режиме с частотой повторение 100 Гц и длительностью импульса порядка 10 нс, или 200 Гц и 30 нс. Применяются в хирургии (особенно глазной), в процессах литографии в полупроводниковом производстве,
Жидкостные лазеры Подразделяются на три основные группы: - растворы металлоорганических соединений (редкоземельные хелаты), -растворы органических красителей (ксантены, полиметины, цианиновые красители и др), -растворы неорганических соединений редкоземельных элементов (неодим в оксихлориде селена, в оксихлориде фосфата). -Отличительная особенность этих лазеров – плавная перестройка частоты излучения в диапазоне на несколько порядков превосходящем диапазоны других лазеров, отсутствие ограничений на объем и форму активного вещества. Преимущества – возможность достичь высокую концентрацию активных частиц, которую можно менять и которая мало подверженной повреждениям. Преимущества – отсутствие потерь из-за неоднородности вещества, дешевизна, быстрота изготовления. Мощность излучения значительно превышает мощность твердотельных лазеров ( 10 МВт), а расходимость сравнима с расходимостью газовых лазеров.
Жидкостные лазеры • Жидкостный лазер на красителях. Справа - насос, прокачивающий жидкость через холодильник.
Все лазеры на красителях накачиваются оптическим методом • Используют : • Лампы накачки: накачка родамина 6 G, флуоресцирующего вблизи 590 нм осуществляется излучением лампой накачки в 490— 515 нм. • Лазеры • лазер на азоте (N 2 -лазера (337 нм). Оптическая накачка производится в поперечном по отношению к оси генерации направлении. Генерацию лазера на красителях можно получить в диапазоне (350— 680 нм). • Энергия в импульсе излучения лазера на азоте порядка 1 м. Дж (мощность равна 100 к. Вт при длительности импульса 10 нс). Энергия на выходе лазера на красителях при такой накачке составляет от 2 до 200 мк. Дж (типичное значение 50 мк. Дж). • ионный аргоновый лазер. • Накачку кумарина 6, диапазон перестройки которого лежит от 520 до 560 нм, осуществляют одной из линий ионного аргонового лазера ( =488 нм).
Полупроводниковые лазеры. • В 1958 Эйгрин показал, что рекомбинационное свечение электронов и дырок при их инжекции сквозь запрещенную зону можно использовать для получения инверсии населенностей. • Использование этого излучения для создания лазеров обсуждалось в работах Цайгера, Басова, Вула и др. Вынужденное испускание в Ga. As было получено независимо тремя группами со главе с Холлом, Натаном, Квистом. (1962). • Жорес Иванович Алферов - автор работ в области многослойных гетероструктур, ставших основой современных полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковые лазеры. • Особенностью полупроводниковых лазеров заключается в том, что излучающие переходы происходят не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале (несколько десятков нанометров), что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров. Наибольшее распространение получили инжекционные лазеры на основе арсенида галлия, арсенида индия, фосфида индия.
• • • Полупроводниковые лазеры: Накачка электронным пучком; оптическая накачка; инжекционные лазеры; накачка пробоем в электрическом поле • Полупроводниковые лазеры инжекционного типа работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 Вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 Вт (Ga. As) в ближней инфракрасной (ИК) области ( = 850 нм) и около 10 м. Вт (Pbx. Sn 1 -x. Te) в средней ИК области ( = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров — слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами. •
• Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой. • При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ 103— 106 эв в кристалле рождаются электроннодырочные пары. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность достигает 106 Вт. • Полупроводниковый лазер с электронной накачкой в отпаянной лазерной трубке. Преимущества п/п лазеров: обладают высоким кпд, чувствительны к внешним воздействиям, что позволяет управлять их свойствами. Обладают малыми размерами, простота питания. Способны перекрывать большой спектральный диапазон от дальней инфракрасной до ультрафиолетовый. •
Скачать презентацию Классификация лазеров Квантовые приборы классифицируют различными способами
lek_8.ppt