Лазер
раздел, предоставляющий информацию об основных типах лазеров, особенностях и принципах их работы.
Газовый лазер – устройство, в котором электрический ток различной мощности подается на тело в газообразном состоянии, находящегося в герметичной полости, для получения когерентного излучения.
Принцип работы лазера
активная среда: технический газ, испарения химических элементов; обладающая высокой оптической однородностью, накачивается с применением возникающих в ней электрических разрядов. Возникающие в процессе такого явления электроны сталкиваются с атомами технического газа или пара химического вещества, что приводит их в возбуждение с становится причиной излучения фотонов. Создаваемое электромагнитное излучение усиливается, проходя сквозь плазму лазера. Направленное движение световых волн регулируется за счет использования оптических резонаторов.
Электрический разряд – процесс протекания электрического тока, связанный со значительным увеличением электропроводимости среды относительно ее нормального состояния.
Виды газовых лазеров по типу активной среды: нейтральные атомы, ионы, молекулы
Тип активной среды - Нейтральные атомы
He-Ne лазер
Инверсия населенностей уровней осуществляется за счет первоначального возбуждения атомов гения на уровнях E2 и E3, которые практически совпадают с уровнями Е4 и Е5 возбужденных атомов неона. При столкновении возбужденных атомов гелия и неона происходит перекачка энергии. Гелий – резервуар возбуждения неона, так как неон нельзя возбудить прямым переходом Е4 и Е5 из-за долгоживущего метастабильного уровня Е2.
Оптическая полость
Оптическая полость – полуконцентрический резонатор, который состоит из плоского, высокоотражающего зеркала (HR) на одном конце лазерной трубки и выходного зеркала с пропусканием приблизительно 1% на другом конце. Длина полости: от 15 до 50 см
Стабилизированный гелий-неоновый лазер
Гелий-неоновые лазеры излучают на длинах волн: 𝜆=632,8 нм, 𝜆=1150 нм, 𝜆=3390 нм
Лазеры такого типа в основном используются на длине волны 𝜆=632,8 нм в красном диапазоне видимого спектра.
Лазеры такого типа в основном используются на длине волны 𝜆=632,8 нм в красном диапазоне видимого спектра.
Возможность выбирать между стабилизацией частоты или интенсивности. В режиме стабилизации частоты будет поддерживаться постоянная частота генерации или длины волны, во время стабилизации интенсивности лазер будет поддерживать постоянную выходную мощность.
Помимо He-Ne лазера используется ксеноновый (Хе) лазер, генерирующий на λ=3500 нм и Не-Хе лазер λ=2020 нм. Эти лазеры работают в непрерывном режиме, который обеспечивается газоразрядной накачкой.
В общем случае газовые лазеры работают в широком диапазоне волн (от 0,1 мкм до 1000 мкм) и мощности излучения (от 10-6…106 Вт) в непрерывном режиме и до 1015 Вт в импульсном режиме.
Области применения газовых лазеров: метрология, сортировка продуктов, проточная цитометрия, конфокальная микроскопия, анализ изображений в медицине, выравнивание и юстировка.
Помимо He-Ne лазера используется ксеноновый (Хе) лазер, генерирующий на λ=3500 нм и Не-Хе лазер λ=2020 нм. Эти лазеры работают в непрерывном режиме, который обеспечивается газоразрядной накачкой.
В общем случае газовые лазеры работают в широком диапазоне волн (от 0,1 мкм до 1000 мкм) и мощности излучения (от 10-6…106 Вт) в непрерывном режиме и до 1015 Вт в импульсном режиме.
Области применения газовых лазеров: метрология, сортировка продуктов, проточная цитометрия, конфокальная микроскопия, анализ изображений в медицине, выравнивание и юстировка.
Тип активной среды - Ионы
Ионный лазер
В ионных лазерах переходы происходят между уровнями одно – или двукратно ионизированных атомов. Инверсия населенностей уровней происходит между E3 и E4. Уровень E4 с большим временем жизни заселяется возбужденными атомами. Сами атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми электронами в газовом разряде, а также путем перехода с E5. Уровень E3 имеет короткое время жизни относительно уровня E1, и поэтому он быстро опустошается.
Оптическая полость
Наибольшее распространение получили ионные лазеры на аргоне. Они генерирует в сине-зеленой части спектра с λ=488 и 514 нм. Такой лазер может излучать и в УФ части спектра (340…370 нм). Мощность излучения достигает 1 кВт. Ионный лазер на криптоне генерирует в красной части спектра λ=650…860 нм.
Тип активной среды - Молекулы
Смесь CO2+N2
Первый молекулярный лазер был реализован на смеси CO2+N2. Молекулы CO2 имеют три частоты собственных возбуждающих колебаний - E3, E4 и E5. Молекулы CO2 возбуждаются при соударении с быстрыми электронами в газовом разряде. Одновременно вводится N2 и происходит ионизация молекул. Возбуждается уровень E2 у N2 и E5 у CO2.
CO2 лазер
Молекулы азота возбуждаются весьма интенсивно и энергию возбуждения резонансно передают молекулам CO2. Еще большая инверсная заселенность уровня достигается введением в газовую смесь небольшого количества гелия. Благодаря его большой теплопроводности понижается общая температура смеси. Это уменьшает тепловое заселение уровней и возвращает молекулы CO2 с самых высоких колебательных уровней на уровень E5.
В дальнейшем происходит переход с полосы уровней E5 на низлежащие с одновременным излучением. Генерация возникает на большом числе переходов молекулы CO2 в интервале волн от 9 до 18 мкм.
КПД молекулярных лазеров достаточно высок (20-40%), излучаемая мощность светового потока достигает
105 Вт.
КПД молекулярных лазеров достаточно высок (20-40%), излучаемая мощность светового потока достигает
105 Вт.
Твердотельный лазер – это лазер, в котором активной средой являются активированные диэлектрические кристаллы и стёкла или диэлектрические кристаллы с собственными точечными дефектами.
В качестве активаторов кристаллов и стёкол обычно служат ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа. Собственные точечные дефекты в кристаллах возникают под воздействием ионизирующего излучения или путём аддитивного окрашивания. Энергетические уровни активаторов или собственных дефектов используются для создания инверсной населённости.
Режимы работы твердотельных лазеров
1
Импульсный
2
Непрерывный
3
Квазинепрерывный
В настоящий момент твердотельные лазеры изготавливаются более чем на 250 кристаллах и на многих десятках стекол. Из них практическое значения имеют: рубиновый, неодимовый, лазер на александрите.
Активными примесями в диэлектрических кристаллах являются ионы элементов переходных групп: железа, палладия, платины, а также редкоземельных элементов.
Активными примесями в диэлектрических кристаллах являются ионы элементов переходных групп: железа, палладия, платины, а также редкоземельных элементов.
Большинство твердотельных лазеров принято описывать по трехуровневой (лазер на рубине) или по четырехуровневой схеме (неодимовый лазер). Трехуровневая схема предполагает наличие нижнего лазерного уровня, совпадающего с основным состоянием системы, полосы накачки и верхнего лазерного уровня, совпадающего с метастабильным уровнем системы безызлучательно связанного с полосой накачки.
На примере трех- и четырехуровневых схем можно сформулировать общие требования, предъявляемые к активным средам: наличие метастабильного уровня, который может служить верхним уровнем лазерного перехода, наличие широких полос поглощения с высоким квантовым выходом возбуждения, активное вещество должно прозрачным для излучения на частотах генерации и накачки
Отличие четырехуровневой схемы состоит в наличии нижнего лазерного уровня, не совпадающего с основным состоянием, но связанным с последним быстрой безызлучательной релаксацией.
Режим работы твердотельных лазеров
- Поперечная структура пучка: одномодовые и многомодовые.
- Спектральный состав: одночастотные и многочастотные.
- Расходимость пучка: дифракционно ограниченные и неограниченные
- Способ накачки: непрерывная и импульсная накачка
- Временный вид излучения: непрерывный, импульсный, импульсно-периодический
- Характер управления: режим свободной генерации, режим модулированной добротности, режим синхронизации мод, режим разгрузки резонатора, режим сдвоенной модуляции (синхронизация мод и модуляция добротности).
Структура пучка
одномодовая и многомодовая
Спектральный состав
одночастотные и многочастотные
Способ накачки
непрерывная и импульсная
Вид излучения
непрерывный, импульсный, импульсно-периодический
Характер управления
режим свободной генерации, синхронизации мод, разгрузки резонатора
Расходимость пучка
дифракционно ограниченные и неограниченные
Рубиновый лазер
Рубиновый лазер был первым оптическим квантовым генератором. Активная среда – лейкосапфир с введенными ионами примеси хрома, изоморфно заменяющими ионы алюминия в кристалле и обеспечивает высокую выходную энергию (100-200 МВт) при очень коротком времени импульса (20-80 нс) на длине волны 694 нм. Является источником когерентного монохроматического излучения.
Nd:YAG лазер
Лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом был впервые запущен в 1964 году Г.Гейзиком.
Активная среда – кристаллическая матрица алюмоиттриевого граната с добавкой трехвалентного иона неодима (YAG:Nd) в кристаллической решетке которого часть ионов иттрия Y3+ замещена примесными ионами неодима Nd3+.
Активная среда – кристаллическая матрица алюмоиттриевого граната с добавкой трехвалентного иона неодима (YAG:Nd) в кристаллической решетке которого часть ионов иттрия Y3+ замещена примесными ионами неодима Nd3+.
Генерация происходит на длине волны 1064 нм. Такие лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В режиме свободной генерации длительность импульса обычно равна времени жизни верхнего лазерного уровня (около 250 мкс, зависит от концентрации неодима). В режиме модулированной добротности длительность может варьироваться от единиц наносекунд до микросекунд. Наибольшую импульсную мощность можно получить при работе в режиме модуляци. Благодаря большой мощности, из импульса с длиной волны 1064 нм на нелинейном кристалле можно получить импульс с длиной волны вдвое, втрое, вчетверо короче (532 нм, 355 нм, 266 нм, 213 нм).
Лазер на александрите
По своим оптическим и механическим характеристикам александритовый лазер похож на рубиновый. Твердость, прочность, химическая устойчивость, а также высокая теплопроводность (две трети от величины теплопроводности рубина, что вдвое больше, чем YAG) позволяют накачивать александритовые стержени на высокие мощности без теплового разрушения. Тепловой предел разрушения Александрита составляет 60% от рубина, что в пять раз выше, чем у YAG.
Так как полосы поглощения в александрите находятся примерно на длинах волн от 380 до 630 нм с пиками, приходящими на 410 и 590 нм, то накачка осуществляется в зеленом или синем видимом диапазоне.
Александрит может работать как по четырех уровневой схеме на электронно-колебательном переходе, так и по трех уровневой, аналогично рубину. Трех уровневая система имеет высокий порог генерации с фиксированной длиной волны на выходе (680,4 нм при комнатной температуре). Поэтому электронно-колебательный переход 4-х уровневой схемы оказывается более эффективным.
Полупроводниковые лазеры – твердотельный тип лазера, работа которого основана на полупроводниковом материале (арсенид галлия, фосфид индия и тд.). В отличие от других типов устройств, используют электрический ток для стимулирования излучения суета из полупроводникового материала.
В качестве активной среды используются прямозонные полупроводники, так как непрямозонные не обладают сильным и эффективным световым излучением.
Структура диодного полупроводникового лазера состоит из p-n-перехода, который формируется путем легирования материала примесями для создания областей с различными уровнями электропроводности. Когда через p-n-переход пропускается ток, электроны попадают в полупроводниковый материал, создавая инверсию населенности, что приводит к излучению света. Свет усиливается при прохождении через материал, в результате чего получается высококогерентный и направленный пучок света.
Структура диодного полупроводникового лазера состоит из p-n-перехода, который формируется путем легирования материала примесями для создания областей с различными уровнями электропроводности. Когда через p-n-переход пропускается ток, электроны попадают в полупроводниковый материал, создавая инверсию населенности, что приводит к излучению света. Свет усиливается при прохождении через материал, в результате чего получается высококогерентный и направленный пучок света.
Инжекционный лазер на гомопереходе
Основаны на прямом гомопереходе полупроводникового материала, где заряженные частицы рекомбинируют и излучают свет. Работают в
диапазоне видимого, ИК и УФ излучения. Роль оптического резонатора в инжекционном лазере выполняют грани кристалла, с нанесенными серебряными покрытиями, плоскости которых перпендикулярны плоскостям p-n перехода.Идеально ровные и одновременно параллельные грани получают путем скола вдоль определенных кристаллографических направлений полупроводника.
диапазоне видимого, ИК и УФ излучения. Роль оптического резонатора в инжекционном лазере выполняют грани кристалла, с нанесенными серебряными покрытиями, плоскости которых перпендикулярны плоскостям p-n перехода.Идеально ровные и одновременно параллельные грани получают путем скола вдоль определенных кристаллографических направлений полупроводника.
Боковые грани кристалла скашиваются под некоторым углом, чтобы предотвратить возникновение генерации в этом направлении. Таким образом, при подходящем значении плотности тока может быть достигнуто условие прозрачности и пороговое условие генерации.
Инжекционный лазер на гетеропереходе
Гетеропереход представляет собой контакт на атомном уровне двух различных по химическому составу материалов, осуществленный в одном кристалле. В гетеропереходах помимо управления концентрацией и типом носителей заряда путем легирования появляется новая возможность управлять такими важными параметрами материала, как ширина запрещенной зоны и показатель преломления. Активная среда такого лазера представляет собой тонкий слой (0.1-0,2 мкм) арсенида галлия. Центральная область p-GaAs является активной. Из широкой n- области в нее инжектируются электроны. За счет эффекта сверхинжекции электронов в активной области оказывается больше, чем в
N- эмиттере. Одновременно потенциальный барьер на гетерогранице р-р+ препятствует движению инжектированных электронов, запирая их в пределах узкозонной активной области.
N- эмиттере. Одновременно потенциальный барьер на гетерогранице р-р+ препятствует движению инжектированных электронов, запирая их в пределах узкозонной активной области.
Таким образом в ДГС-лазере осуществляется электронное ограничение. Аналогичная ситуация наблюдается и для дырок. Кроме электронного ограничения в двойной гетероструктуре осуществляется эффективное оптическое ограничение.
Такие структуры позволяют создавать инжекционные лазеры, способные работать не только в импульсном, но и в непрерывном режимах.
Такие структуры позволяют создавать инжекционные лазеры, способные работать не только в импульсном, но и в непрерывном режимах.
Лазеры на квантовых ямах
Система низкой размерности, где движение ограничено по одной, двум или трем координатам. Эти объекты имеют размерности 2,1,0 и обозначаются 2D, 1D и 0D. Под размерными эффектами понимают зависимость физических свойств объекта или вещества от его геометрических размеров. Сами эффекты определяются характерной физической длиной, с которой сравниваются размеры образца.
Если роль этой характерной физической длины выполняют классические величины, например, длина свободного пробега или диффузионная длина, то такие размерные эффекты называются классическими. Если роль характерной физической длины выполняют квантовые величины, то такие эффекты называются квантоворазмерными.
Структуры, в которых движение электрона ограничено по одной, двум и трем координатам, имеют размерности 2, 1 и 0 (2D, 1D и 0D) и называются квантовыми ямами (КЯ) или квантовыми колодцами, квантовыми нитями (КН) и квантовыми точками (КТ).
Особенностью лазеров на квантовых ямах является возможность их частотной перестройки. Минимальная энергия излучаемых световых квантов меняется при изменении размеров квантовой ямы, т.е. путем изменения ширины квантовой ямы можно осуществить перестройку частоты генерации.
Структуры, в которых движение электрона ограничено по одной, двум и трем координатам, имеют размерности 2, 1 и 0 (2D, 1D и 0D) и называются квантовыми ямами (КЯ) или квантовыми колодцами, квантовыми нитями (КН) и квантовыми точками (КТ).
Особенностью лазеров на квантовых ямах является возможность их частотной перестройки. Минимальная энергия излучаемых световых квантов меняется при изменении размеров квантовой ямы, т.е. путем изменения ширины квантовой ямы можно осуществить перестройку частоты генерации.
Квантово-каскадные лазеры
В качестве рабочих переходов используют переходы между уровнями размерного квантования, принадлежащими одной зоне, т. е. внутризонные переходы. Активная область содержит три квантовые ямы толщиной d1, d2 и d3, разделенные барьерами шириной b1 и b2. Связь между ними задается шириной барьеров b1 и b2 , а положения уровней размерного квантования определяются в основном высотой барьера, и толщиной ям d. В электрическом поле за счет эффектов резонансного туннелирования электроны из эмиттера будут заселять в основном уровень 3. По принципу работы каскадный полупроводниковый лазер близок к обычным газовым лазерам. Рабочая длина волны определяется расстоянием между уровнями, размерного квантования и может изменяться от нескольких десятых долей эВ почти до 0, так что каскадные лазеры могут перекрывать весь ИК - диапазон оптического спектра.
Всегда на складе
Широкий ассортимент оборудования для диагностики сверхкоротких импульсов.
Для того, чтобы ознакомиться со всем ассортиментом товара, свяжитесь с нами или задайте вопрос через форму
Для того, чтобы ознакомиться со всем ассортиментом товара, свяжитесь с нами или задайте вопрос через форму
Свяжитесь с нами
Оставьте свои контактные данные, и наш менеджер свяжется с вами
Всегда на складе
Широкий ассортимент оборудования для диагностики сверхкоротких импульсов.
Для того, чтобы ознакомиться со всем ассортиментом товара, свяжитесь с нами или задайте вопрос через форму