Гразеры, разеры, лазеры и современное развитие фотоники

    

 
Твердотельные лазеры

    Активная  среда в таких лазерах - диэлектрический  кристалл или специальное стекло. Возможность лазерного излучения  существует у нескольких сотен диэлектрических  кристаллов. Примером твердотельного лазера может служить лазер на рубине, исторически первый и широко используемый в настоящее время. Рубин представляет собой оксид алюминия с примесью ионов хрома. Лазер на рубине дает излучение темно-красного цвета с длиной волны около 0,69 мкм. Различные стекла для лазеров активируют редкоземельными элементами. Генерируемое излучение у лазеров на стеклах может быть с разной длиной волны, в частности 1 мкм. Для твердотельных лазеров применяют исключительно оптическую накачку, например в виде излучения газоразрядных ламп (импульсных или непрерывного горения) или ламп накаливания. Источником накачки может быть вспомогательный лазер.

    

Жидкостные  лазеры

    В качестве активной среды чаще всего  используются растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Известны несколько сотен различных органических красителей, пригодных для лазерной генерации. Они позволяют получать излучение с длиной волны от 0,3 до 1,3 мкм, т. е. от ультрафиолетового до инфракрасного. Для жидкостных лазеров применяют непрерывную или импульсную оптическую накачку от вспомогательного лазера или от газоразрядной лампы.

    

Газовые лазеры

    Существует  много разновидностей. Одна из них - фотодиссоционный лазер. В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (распадаются) на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для лазерного излучения.

    Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1-10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10-50 МГц).

    Существует  несколько типов газоразрядных  лазеров. В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

    Лазеры  на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4-100 мкм. Пример - гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.

    К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.

    Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО₂-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД - около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм. Схематически он показан на рис. 1.

     

    

    Рис. 1 - Принцип устройства СО₂-лазера

    Разновидность СО₂-лазеров - газодинамические. В них инверсная населенность, необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20-30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

    К молекулярным относятся так называемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.), либо его соединение с хлором или фтором. В таких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энергией в сотни кэВ). Излучаемая волна получается наиболее короткой, например, у лазера на аргоне 0,126 мкм.

    Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью ионизирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем. Ионизирующим излучением служит поток быстрых электронов либо ультрафиолетовое излучение. Такие лазеры называются электроионизационными или лазерами на сжатом газе. Схематически лазеры такого типа показаны на рис. 2.

     

    

    Рис. 2 - Электроионизационная накачка

    Возбужденные  молекулы газа за счет энергии химических реакций получаются в химических лазерах. Здесь используются смеси некоторых химически активных газов (фтор, хлор, водород, хлористый водород и др.). Химические реакции в таких лазерах должны протекать очень быстро. Для ускорения применяются специальные химические агенты, которые получаются при диссоциации молекул газа под действием оптического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. Примером химического лазера может служить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа.

    Особый  тип лазера - плазменный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (магний, барий, стронций, кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ. Длительность импульсов 0,1-1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волны 0,41-0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой области.

    

Полупроводниковые лазеры

    Хотя  полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах  когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего  края зоны проводимости на верхний край валентной зоны. Существует два типа полупроводниковых лазеров. Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией 50-100 кэВ. Возможна также оптическая накачка. В качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, отчего лазерное излучение ухудшается. Поэтому такие лазеры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К.

    Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3) или продольной (рис. 4). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.

     

    

    Рис. 3 - Поперечная накачка электронным  пучком

     

    

    Рис. 4 - Продольная накачка электронным  пучком

    Второй  тип полупроводникового лазера - так  называемый инжекционный лазер. В нем имеется p-n-переход (рис. 5), образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 10¹⁸-10¹⁹ см^-3. Грани, перпендикулярные плоскости p-n-перехода, отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается прямое напряжение, под действием которого понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение. Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия. Излучение имеет длину волны 0,8-0,9 мкм, КПД довольно высок - 50-60%.

     

    

    Рис. 5 - Принцип устройства инжекционного  лазера

    Миниатюрные инжекционные лазеры с линейными размерами полупроводников около 1 мм дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме могут иметь мощность до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлаждения.

    Следует отметить, что в устройстве лазеров  имеется много различных особенностей. Оптический резонатор лишь в простейшем случае составлен из двух плоскопараллельных зеркал. Применяются и более сложные конструкции резонаторов, с другой формой зеркал.

    В состав многих лазеров входят дополнительные устройства для управления излучением, расположенные либо внутри резонатора, либо вне его. С помощью этих устройств отклоняется и фокусируется лазерный луч, изменяются различные параметры излучения. Длина волны у разных лазеров может составлять 0,1-100 мкм. При импульсном излучении длительность импульсов бывает в пределах от 10^-3 до 10^-12 с. Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижимая мощность составляет 10⁹ Вт для наносекундных импульсов и 10¹² Вт для сверхкоротких пикосекундных импульсов. 
 

    Лазерная  технология

    Темы: Технология сварки.

    Известно, что лазерный луч отличается чрезвычайно  высокой монохроматичностью и направленностью, что позволяет с помощью обычных оптических систем фокусировать его на площадку с характерным размером в доли миллиметра (в пределе порядка длины волны), достигая при этом рекордно высоких плотностей потока излучения.

    Еще страницы, близкие к теме 

    Лазерная технология 

    :

• Лазерная резка, видео.
• Сварщики, инженеры, другие специалисты по лазерной резке.
• Специалисты, аттестованные НАКС на электронно-лучевую сварку (ЭЛ) .
• СО2-лазер.
• Твердотельный лазер

    Современные непрерывные лазеры обеспечивают интенсивность  сфокусированного излучения на уровне до 10¹⁰ Вт/см², а в импульсных системах, применяемых, например, для исследований в области лазерного термоядерного синтеза, эта величина достигает значений 10¹⁶—10¹⁷ Вт/см². Для сравнения можно указать, что средняя интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли составляет около 0,1 Вт/см², и при фокусировке ее можно увеличить до 10  Вт/см².

    Высокая интенсивность лазерного излучения  открывает широкие возможности  его технологических применений в качестве инструмента для локальной  термообработки. Лазерный луч —  это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло практически не успевает «растекаться». Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые нагрузки путем регулировки мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностной закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении. Лазерные методы обеспечивают возможность дистанционной обработки, возможность обработки труднодоступных участков готовых деталей, селективность воздействия (например, при термообработке можно упрочнять только те участки поверхности, которые подвергаются непосредственным механическим нагрузкам, работают на истирание и т. п.), лазерный луч не загрязняет обрабатываемой поверхности и, наконец, он дает возможность прецизионной резки и сверления материалов, вообще не поддающихся механической обработке,— композитов, сверхтвердых сплавов, изделий порошковой металлургии, керамики и др. Единственным аналогом лазерного луча в этом аспекте является интенсивный электронный пучок, однако лазерный луч имеет два важных преимущества: при его использовании не требуется вакуумирование обрабатываемой детали и не требуется создание мощной биологической защиты для обслуживающего персонала.

    Наряду  с отмеченными преимуществами лазерная технология обладает и рядом недостатков, главными из которых являются: сравнительно низкий кпд, высокая стоимость и недостаточная еще надежность мощных лазеров. Поэтому лазерной технологии еще предстоит найти свое место в общем ряду методов обработки материалов. При этом следует иметь в виду огромные успехи в развитии различных технологических методов, достигнутые в последние годы. Например, работы Института электросварки имени Е. О. Патона АН УССР продемонстрировали чрезвычайно широкие технологические возможности различных способов сварки. По-видимому, лазерная сварка найдет применение прежде всего в тех случаях, когда требуются особенно высокая скорость и точность, а также, когда известные способы неприменимы — скажем, при необходимости дистанционной сварки крупноразмерных деталей.