Каталог товаров

Принципы работы лазеров. Устройство и типы лазеров

Лазер (от англ. light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света посредством вынужденного излучения) он же оптический квантовый генератор – устройство, преобразующее внешнее воздействие (накачку), в энергию когерентного, монохроматического узконаправленного потока излучения.

Законы квантовой механики гласят, что энергия атома может принимать определённые значения, называемые энергетические уровни. Наименьшая энергия атома соответствует основному уровню, прочие состояния, с большей энергией атома, являются возбуждёнными. При переходе атома на более низкий уровень происходит излучение кванта электромагнитного излучения – фотона. Для обратного перехода необходимо поглощение атомом фотона. Излучение фотонов является неодновременным и хаотичным. Так происходит, например, свечение тел при нагревании: неупорядоченным набором разных длин волн.

Картина меняется радикально при воздействии на атом электромагнитным излучением, близким по частоте к частоте перехода. Резонанс «расшатывает» атом, происходит вынужденный переход, выделенное же излучение будет иметь ту же частоту, фазу и направление, что и «расшатывающее». Эти волны когерентны и исходная интенсивность увеличится за счёт их сложения. Такое явление носит название вынужденного излучения.

Проходящее сквозь вещество излучение в значительной степени поглощается, приводя атомы с основным состоянием в состояние возбуждённое. Активным называют вещество, в котором количество возбуждённых атомов существенно выше, чем в основном состоянии, а состояние – инверсной населённостью. Таким образом, каждый пролетевший сквозь вещество фотон, вызывает появление точно такого же. Эти два порождают четыре и т.д. В активном веществе возникает фотонная лавина.

На деле такого не происходит из-за сильного рассеяния волны на неоднородностях, загрязнениях и т.д. Для выхода стабильного излучения применяют зеркала, заставляющие фотоны «работать» снова. Инверсная населённость поддерживается так: отдельный источник «накачивает» активное вещество, переводя атомы на высокий энергетический уровень; затем атом переходит на средний уровень, на котором находится относительно долгое время (уровень метастабильности) и переходит на основной уровень под воздействием электромагнитного излучения, генерируя когерентное исходному вынужденное излучение.

Все лазеры имеют: активную среду, устройство накачки, резонатор.

Активная среда – материал, в котором создаётся инверсная населённость. Вещество может быть твёрдым, жидким, газообразным. Применяются также полупроводники и плазма.

Резонатор – пара параллельных между собой зеркал, расположенных с противоположных сторон активной среды. Одно зеркало – полупрозрачное – часть излучения отправляет обратно в активную среду, часть, собственно, и есть лазерный луч. В оптическом резонаторе, как и во всяком другом, возбуждаются собственные колебания, причём целое число полуволн должно точно соответствовать длине резонатора. Максимум интенсивности излучения придётся именно на эту длину волны. Собственные частоты лазерного резонатора называются модами.

Система накачки предназначена для создания в среде инверсной населённости. Для жидкотельных и твердотельных лазеров в качестве накачки используют импульсные лампы или лазеры, для газовых – электрический разряд, для полупроводников – электрический ток.

Лазеры обладают уникальными для источников света свойствами. Их излучение когерентно и монохроматично. Луч распространяется строго вдоль оси резонатора и его расходимость крайне незначительна. Это даёт возможность с небольшими потерями транслировать луч на значительные расстояния, сосредотачивая в световом пятне на преграде энергию огромной плотности. В шоу-индустрии особенно ценится чистота цветов лазера – следствие монохроматичности излучения. Для получения световых эффектов используются, как правило, лазерные диоды и твердотельные лазеры с диодной накачкой.

Лазерный диод (LD) – полупроводниковый лазер на базе диода. При подаче положительного потенциала на анод диода дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, электроны же из n-области – в p-область. Находящиеся вблизи, на дистанции возможного туннелирования, электроны и дырки могут рекомбинировать с выделением фотона и фонона, создавая спонтанное излучение. Получится светодиод. В случае же прохождения через эту область фотона с резонансной частотой, произойдёт вынужденная рекомбинация с выделением излучения со всеми свойствами лазерного.

Практически это можно реализовать при помощи тонкой прямоугольной полупроводниковой пластины, в которой, путём легирования материала, создаются p- и n-зоны и, соответственно, широкий плоский p-n переход. То есть, потенциально – активная среда. Два параллельных торца полируются для образования оптического резонатора (резонатор Фабри-Перо). Таким образом, случайный фотон спонтанного излучения, движущийся нужным образом внутри резонатора, создаст вынужденное излучение. Налицо все признаки лазера: активная среда (p-n переход), накачка (электрический ток), резонатор (полированные, в виде зеркала, торцы). До достижения нужного значения инверсной населённости и входящего тока диод будет работать в режиме LED (светодиода) с низким выходом. При работе лазера будет увеличиваться его температура, что вызовет повышение порогового значения тока, изменение выходной мощности и длины волны. Поэтому приборам необходимо качественное охлаждение и/или температурная компенсация, например, термоэлектрическим охлаждением с обратной связью (ТЕС).

В большинстве диодов толщина кристаллов сравнима с длиной волны излучения, чем достигается хорошая фокусировка луча. В случаях, когда требуется именно мощность излучения, а расходимость не так важна, кристалл делают существенно толще. Это позволяет диоду работать в нескольких поперечных режимах. Такие диоды называют многомодовыми (multimode). Многомодовые диоды часто применяют для накачки твердотельных лазеров. Луч на выходе имеет значительное расхождение, поэтому применяют собирающие линзы. В многомодовых диодах часто применяются цилиндрические линзы.

Лазерные диоды описанной конструкции весьма неэффективны, поэтому, во избежание перегрева, могут работать только в импульсном режиме и на практике не применяются. Такой тип лазеров называют «диод с n-p гомоструктурой».

 

Диоды с двойной гетероструктурой, в которых между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной располагается материал с узкой, концентрируют активную зону в тонком среднем слое. Это позволяет сосредоточить рекомбинации именно там, в области максимального усиления. Кроме того, излучение будет отражаться от переходов, усиливая эффект.

Диод с квантовыми ямами допускает квантование энергии электронов в среднем слое за счёт уменьшения толщины этого слоя. Средний слой, таким образом, выступит в роли квантовой ямы и разница между энергетическими уровнями может быть использована вместо потенциального барьера. Плотность рекомбинаций повысится за счёт более равномерного расределения, а длина волны излучения будет резко зависеть от толщины среднего слоя.

Гетероструктурный лазер с раздельным удержанием (SCH, separate confinement heterostructure). Для эффективного удержания света добавлены ещё два слоя с меньшим коэффициентом преломления.

VCSEL. Поверхностно излучающий лазер с вертикальным резонатором. Излучает свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла.

VЕCSEL. Поверхностно излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором. Аналогичен VCSEL, но имеющий внешний резонатор. С токовой или оптической накачкой, в зависимости от исполнения.

 

Твердотельный лазер с диодной накачкой (Diode-pumped solid-state laser, DPSS) для создания активной среды использует лазерный диод. DPSS-лазеры отличаются компактностью и высокой эффективностью, что особенно важно, учитывая сложности получения зелёного лазерного диода.

Для получения зелёного DPSS-диода в качестве накачки используют мощные (до нескольких Вт) лазерные диоды с длиной волны 808 нм. При облучении активная среда (например, кристалл алюмо-иттриевого граната) излучает волну длной 1064 нм. При помощи нелинейной оптической системы данная частота удваивается и длина волны составит 532 нм. Что и соответствует зелёному цвету. Аналогично, только несколько сложнее, можно получить синий и жёлтый цвета. КПД зелёных лазеров составляет порядка 20%, синих и жёлтых – едва дотягивает до 3%. Не так давно стали доступны красные DPSS-диоды.

DPSS-лазеры выгодно отличаются от лазерных диодов узким диапазоном длин волн (до 1 нм против 5…20 нм) и малой расходимостью луча. Параметры выходящего луча DPSS мало зависят от исходного, что даёт возможность в качестве накачки использовать относительно недорогие, но мощные многомодовые лазерные диоды. Лазерные же диоды дешевле и имеют более высокий КПД, проще в монтаже и эксплуатации. Более стойки к механическим нагрузкам и повышенным температурам.

В лазерных проекторах и лучевых системах используются преимущественно DPSS-лазеры (чаще для зелёного луча) и LD-лазеры. Срок службы лазеров может достигать 10 тысяч часов, однако, неэффективное охлаждение и последующий перегрев неминуемо сократит его в сотни раз. Категорически недопустимо нарушения питания: превышение максимально допустимого значения тока или разряд статического электричества мгновенно выведут прибор из строя.

К списку статей