Основные виды лазеров

В зависимости от способа обработки материала выделяют несколько видов лазеров.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры делятся на импульсные и непрерывные. Среди импульсных лазеров более распространены устройства на рубине и неодимовом стекле. Длина волны неодимового лазера составляет l = 1,06 мкм. Эти устройства представляют собой относительно большие стержни, длина которых достигает 100 см, а диаметр — 4–5 см. Энергия импульса генерации такого стержня — 1000 дж за 10–3 сек.

Лазер на рубине также отличается большой мощностью импульса, при длительности 10–3 сек его энергия составляет сотни дж. Частота повторения импульсов может достигать нескольких кГц.

Самые известные лазеры непрерывного действия изготавливаются на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате, в котором присутствуют примеси атомов редкоземельных металлов. Длина волны этих лазеров находится в области от 1 до 3 мкм. Мощность импульса составляет примерно 1 вт либо его доли. Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате способы обеспечить мощность импульса до нескольких десятков вт.

Как правило, в твердотельных лазерах используется многомодовый режим генерации. Одномодовая генерация может быть получена при введении в резонатор селектирующих элементов. Подобное решение было вызвано снижением генерируемой мощности излучения.

Сложность производства твердотельных лазеров заключается в необходимости выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов прозрачного стекла. Преодолеть эти трудности позволило изготовление жидкостных лазеров, где активная среда представлена жидкостью, в которую введены редкоземельные элементы. Тем не менее жидкостные лазеры имеют ряд недостатков, ограничивающих область их использования.

Жидкостные лазеры

Жидкостными называются лазеры с жидкой активной средой. Основным преимуществом этого вида устройств является возможность циркуляции жидкости и, соответственно, ее охлаждение. В результате и в импульсном, и в непрерывном режиме можно получить больше энергии.

Первые жидкостные лазеры производились на основе редкоземельных хелатов. Недостатком этих лазеров является низкий уровень достижимой энергии и химическая неустойчивость хелатов. В результате эти лазеры не нашли применения. Советские ученые предложили использовать в лазерной среде неорганические активные жидкости. Лазеры на их основе отличаются высокими импульсными энергиями и обеспечивают показатели средней мощности. Жидкостные лазеры на такой активной среде способны генерировать излучение с узким спектром частот.

Еще один вид жидкостных лазеров — устройства, работающие на растворах органических красителей, отличающихся широкими спектральными линиями люминесценции. Такой лазер способен обеспечить непрерывную перестройку длин излучаемых волн света в широком диапазоне. При замене красителей обеспечивается перекрытие всего видимого спектра и части инфракрасного. Источником накачки в таких устройствах являются, как правило, твердотельные лазеры, но возможно использование газосветных ламп, обеспечивающих короткие вспышки белого света (менее 50 мксек).

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры значительно выделяются по своим характеристикам среди аналогичных устройств, работающих на других средах. Их отличительной особенностью является высокое КПД преобразования энергии в когерентное излучение. Полупроводниковые инжекционные лазеры способы работать в непрерывном режиме.

Эти устройства также отличаются высокой эффективностью преобразования электроэнергии в энергию когерентного излучения, малой инерционностью, что обуславливает их широкое практическое применение. Полупроводниковые лазеры отличаются простой конструкцией, обеспечивают перестройку длины волны излучения. В их конструкции могут использоваться различные полупроводники, за счет чего возможно перекрытие интервала длины волн от 0,32 до 32 мкм.

Среди недостатков полупроводниковых лазеров можно отметить небольшие размеры, а значит, и невысокую направленность излучения, а также трудность получения монохроматичности из-за значительной ширины спектра излучения во время переходов атомов.

Наибольшая эффективность использования полупроводниковых лазеров обеспечивается в тех случаях, если требуются малые габариты устройства и его высокий КПД, при этом требования к когерентности и направленности излучения невысоки. По плотности энергии излучения и коэффициенту полезного действия полупроводниковые лазеры превосходят все остальные виды устройств. Модуляция интенсивности света этих лазеров составляет ~ 10–11 сек.

Газовые лазеры (с диоксидом углерода)

Газы, используемые в качестве активной лазерной среды, способы обеспечить высокую оптическую однородность. Это определяет и область их применения в тех сферах, где необходимы максимально высокая направленность излучения и его монохромность.

В 1960 году был создан лазер на гелий-неоновой смеси, после чего появилось множество устройств, использующих различные газы в качестве активной среды. Во всех этих устройствах использовались квантовые переходы элементарных частиц, с частотами в диапазоне от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной частей спектра.

Наиболее распространенным устройством непрерывного действия, работающим в видимой и инфракрасной областях, является гелий-неоновый лазер, представляющий собой газоразрядную трубку, помещенную в оптический резонатор. Трубка заполняется смесью неона и гелия. Устройство такого типа наглядно демонстрирует все преимущества газовых лазеров — высокую направленность излучения и его монохромность. К достоинствам лазера на гелий-неоновой среде можно отнести его способность работать в непрерывном режиме.

Использование современных способов возбуждения и применение газа под высоким давлением способно значительно повысить мощность такого лазера. Эти лазеры позволяют осваивать далекий инфракрасный диапазон, а также диапазоны ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Газовые лазеры получили широкое применение в различных областях, например в космических исследованиях.