Лазеры
1 Вт. Но длительность
излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность
составляет 10 000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена
с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е.
мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и
сократить его длительность до 10-9 с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А
это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится
интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2, то начинается плавление
металла, при интенсивности 107 Вт/см2 – кипение металла, а при 109 Вт/см2
лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их
в плазму.
Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного
луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в
несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около
1...3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв
излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10...15
угловых градусов.
Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в
котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров
монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно
выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты
частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем
излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой
монохроматичностью.
Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного
действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1...15%, у
полупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для
повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения
лазеров до температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию
аппаратуры.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР
Функциональная схема такого лазера приведена на рис. 6. 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.
Блок
поджига
Излучающая
Пульт
головка
управления
Блок
Выпрямительный
конденсаторов блок
Рис. 6. Функциональная схема оптического генератора.
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 (рис. 7). 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
He
Ne
0 1 1
Рис. 7. Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси.
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.
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 (рис. 8). 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.
E
Зоны
Проводимости Е-заполнение
Электроны
Е-
запрещение
Дырки
Е-
незаполнение
Валентная зона
Рис.8. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера.
ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР.
| |  скачать работу |
Лазеры |
