КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

По типу активной среды различают лазеры твердотельные (в том числе, полупроводниковые), жидкостные и газовые.

В газовых лазерах (ГЛ) активной средой является газ или смесь газов, накачка производится газовым разрядом. Наиболее распространенными ГЛ являются:

-гелий-неоновый (He+Ne) лазер, излучающий на квантовых переходах между уровнями атомов Ne с длиной волны l =0,6328 мкм;

-лазер на смеси газов (CO₂ + N₂), излучающий в ИК – диапазоне (l =10,6 мкм), имеющий очень высокий к.п.д. (~20-30%) и наибольшую мощность непрерывного излучения (несколько десятков кВт).

В жидкостных лазерах (ЖЛ) активной средой служат растворы органических или неорганических соединений. В ЖЛ на растворах органических красителях (жидких кристаллах) удается осуществлять плавную перестройку частоты излучения. Накачка в ЖЛ осуществляется обычно лампами-вспышками.

В твердотельных лазерах (ТЛ) активной средой являются оптические монокристаллы и стекла, содержащие примеси ионов-активаторов (Cr, Nd , Er, ионов металлов переходных групп). Накачка в ТЛ внешняя: осуществляется импульсными и дуговыми газоразрядными лампами, светодиодами и др. Наиболее широко известны ТЛ:

-на рубине (Al₂O₃+Cr⁺⁺), излучающий видимый свет (l = 0,6943 мкм),

-на алюмоиттриевом гранате с примесью неодима (АИГ: Nd³⁺), дающий излучение с l =1,058 мкм.

Твердотельные лазеры способны работать в режиме гигантских импульсов (см. ниже).

Разновидностью ТЛ являются полупроводниковые лазеры (ПЛ), активная среда которых создается в объеме электронно-дырочного перехода (см… ) при возбуждении электрическим током. Для создания ПЛ применяются различные полупроводниковые соединения (GaAs, InР, PbS, PbSe, AlGaAs, GaInAs, GaP). Резонатором в ПЛ служат параллельные грани излучающего кристалла, размер которого не превышает 1 мм.

ПЛ имеют малую мощность возбуждения, небольшую выходную мощность (до десятков мВт), дают излучение на длинах волн в диапазоне (0,7 ¸ 1,6 ) мкм.

По режиму работы лазеры делятся на импульсные и непрерывного действия. При непрерывной генерации инверсия в активной среде поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Импульсный режим работы обусловлен обычно импульсным режимом накачки.

Особый практический интерес представляет режим так называемых гигантских импульсов,дляполучения которых используются особые методы. Например, перед импульсом возбуждения закрывают одно из зеркал резонатора лазера специальным затвором, нарушая положительную обратную связь.

В этих условиях генерация невозможна, просто идет монотонное нарастание инверсии в активной среде лазера. Затвор открывают в конце импульса. При этом создаются условия быстрого развития генерации, реализуемой в виде светового импульса длительностью в среднем Dt_ср~(2 ¸ 50) нс большой мощности – в среднем до миллионов ватт ( пиковая мощность может достигать 10¹³ Вт).

Лазерное излучение в отличие от излучения других источников имеет ряд уникальных свойств. Его отличают:

-высочайшая степень когерентности (длина когерентности газовых лазеров, например, близка к размерам солнечной системы);

-малая угловая расходимость луча, то есть высокая направленность излучения;

-монохроматичность, то есть строгое постоянство длины излучаемой волны

(Dl~ 0,1 А);

-высокая спектральная яркость.

Кроме того, конструкция лазера позволяет получить частично поляризованное излучение.

Уникальные особенности лазерного излучения находят весьма широкое применение.

Узкий лазерный луч, сфокусированный на поверхности материала, за счет огромной концентрации энергии излучения в малых объемах может плавить, резать, испарять любые вещества.

Такие возможности лазеров легли в основу лазерной технологии. Она эффективно используется в электронной технике ( изготовление фотошаблонов, подгонка резисторов, лазерное скрайбирование и др.); в лазерном термоядерном синтезе (для получения высокотемпературной плазмы); в промышленности ( в автомобиле -, судо-, машиностроении для закалки, сварки, резки и т.п.); в медицине (офтальмология, стоматология, хирургия – «лазерный скальпель» для бескровных разрезов биотканей).

Высокая монохроматичность и когерентность излучения лазеров используется в измерительной технике для создания стандартов частоты, времени, длины, в сейсмографах и других точных физических приборах.

Успешно применяют лазеры в вычислительной технике для записи и считывания информации (оптические ЗУ, лазерные принтеры и т.п.).

Весьма перспективным является применение лазеров для развития средств связи. Успешно эксплуатируются и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) на основе ПЛ создаются системы с передачей лазерного излучения в атмосфере. Высокая направленность излучения ОКГ используется в лазерных дальномерах, прицелах, локационных системах (для определения координат и распознавания целей, слежения за их перемещением, в том числе для определения координат искусственных спутников Земли, уточнения характеристик движения планет). Точность этих приборов так высока, что расстояние от локатора до Земли определяется с погрешностью порядка нескольких дециметров.

Литература

1. Г.А Зисман, О.М. Тодес. Курс общей физики, т. III: Наука – М., 1970.-496 с.

2. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика: Учеб. Пособие. Ч.1.

Атомная физ.-мат. лит., 1886.-416 с.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики : Учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 1989.-608 с.

4. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 6-е изд., стер. – М.: высш. шк., 1999. – 542 с.

5. Курс физики: Учебник для вузов: В 2т. Т.2./ Под ред. В.Н. Лозовского .- СПб.: Изд. «Лань», 2000-592 с.

[1]В квантовой механике доказывается, что спонтанные переходы обусловлены действием так называемого, вакуумного электромагнитного поля.

[¦1]

[¦2]