Типы лазеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра ЭПП

Расчетно-графическая работа

по дисциплине: Электромеханика и электротехническое оборудование

Тема: «Типы лазеров»

Принял: проф.

А.В. Болотов

“ ” 2006 г.

Выполнил:

М.Л. Павлова

специальность: ЭЭ

группа: БЭ-04-05

АЛМАТЫ 2006

Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы: 1) рабочее тело, состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия заселенностей; 2) систему, позволяющую осуществлять инверсию (ее обычно называют системой накачки); 3) оптический резонатор; 4) устройство для вывода энергии из резонатора; 5) систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света; 6) различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки: а) оптическую -- за счет облучения вещества мощным световым потоком; б) электрическую, осуществляемую при прохождении через вещество электрического тока; в) химическую, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество, и т. д.

В зависимости от режима работы ОКГ различают устройства, работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

Существующие лазеры по роду материалов, используемых для получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре основных типа: твердотельные с оптическим возбуждением, полупроводниковые (инжекционные)< жидкостные и газовые (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальные схемы твердотельных лазеров:

а -- с рубиновым стержнем; б -- полупроводникового

1. Лазеры твердотельные с оптической накачкой

В лазерах этого типа излучателем -- активным элементом -- является твердое тело. В таких ОКГ основная масса диэлектрика (матрица) непосредственного участия в процессе генерации индуцированного излучения не принимает. Стимулированное излучение и генерация связаны с происходящими в матрице переходами атомов активатора, содержащегося в ней в количестве 0,01-10%.

Материалом матрицы служат кристаллы щелочно-земельных фторидов, вольфраматов или молибдатов, синтетического рубина, иттриево-алюминиевые гранаты, стекла различных составов. Активирующими примесями являются различные редкоземельные элементы, а также хром и уран.

Принципиальная схема твердотельного оптического квантового генератора показана на рис. 1(а). Стержень 2, изготовленный из рабочего вещества, помещен между двумя зеркалами 1, 3, Зеркало 1 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 является полупрозрачным. Для накачки энергии используется газоразрядная лампа-вспышка 6, которая для большей эффективности облучения кристалла помещена вместе с ним внутрь отражающего кожуха 4 с поперечным сечением в форме эллипса. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы-вспышки осуществляется от импульсного высоковольтного-источника 5.

При нагреве рабочего тела изменяются энергетические уровни оптически активных атомов и по достижении некоторой предельной температуры генерация когерентного излучения прекращается. Кроме того, нагрев стержня приводит к возникновению в нем термических напряжений, из-за чего может произойти разрушение стержня. Поэтому в большинстве конструкций твердотельных ОКГ предусматривается охлаждение рабочего тела воздухом, водой или жидким азотом. Световое излучение лампы-вспышки воздействует на активные атомы оптического резонатора, которые возбуждаются и затем при переходе на более низкие энергетические уровни генерируют собственное излучение.

Длительность импульса твердотельных ОКХ определяется индуктивностью, включаемой в цепь конденсаторной батареи, и обычно колеблется в пределах 0,1 -- 10 мс. Частота повторения импульсов зависит в основном от условий охлаждения и характеристик импульсной лампы. В современных ОКГ она доходит до 600 импульсов в минуту.

Энергия излучения, генерируемого современными твердотельными ОКГ, изменяется в пределах от сотых долей до сотен джоулей.

КПД твердотельных лазеров относительно невысок, поскольку значительная часть подводимой к лампе накачки энергии превращается в теплоту.

Лазерное излучение на поверхности обрабатываемой детали фокусируется с помощью сферической или цилиндрической оптики. В первом случае луч фокусируется в точку, во втором -- в линию, длина которой определяется поперечным сечением луча генератора.

Если в качестве фокусирующего объектива применять сферические, цилиндрические и другие специальные оптические устройства, импульсы излучения лазера можно фокусировать соответственно в точку, линию, группу параллельных линий, окружность и т. д.

лазер оптика полупроводник

2. Твердотельные полупроводниковые лазеры

Лазеры этого типа отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего свет вещества в них используется кусочек полупроводника.

Полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение осуществляется при инжекции носителей заряда через р-n-переход, называют инжекционными. Примером лазеров такого типа может служить полупроводниковый квантовый генератор на р-n-переходе в арсениде галлия (рис. 1(6)). Акцепторными примесями в арсениде галлия являются цинк, кадмий, индий и др., донорными примесями-- теллур, селен и др.

Кристалл инжекционного лазера, схема которого приведена на рис. 1(6), имеет размеры 0,5--1 мм2. Электрод 7 крепится к контакту 8, верхняя часть 9 представляет собой проводник р-типа, нижняя часть -- проводник л-типа. Между ними имеется р-n-переход 10, толщина которого составляет 0.1 мкм. Излучающий слой имеет толщину 1--2 мкм вследствие проникновения электронов и дырок через р-n-переход в глубь кристалла.

Передняя и задняя грани являются зеркалами и получаются путем скалывания кристалла относительно определенной кристаллографической оси. Боковые грани делают скошенными для препятствия возникновению колебаний в перпендикулярном направлении. Электрическое поле прикладывается перпендикулярно направлению р-n-перехода с помощью специальных электродов, соединенных с теплоотводящими пластинами 12.

Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким преобразованием электрической энергии в когерентное излучение (до 100%) и могут работать в непрерывном режиме. В полупроводниковых ОКГ, работающих при температуре жидкого азота, достигается мощность порядка 100 Вт, а при температуре жидкого гелия -- до 10 Вт. Наиболее перспективны инжекционные лазеры на гетеропереходах. Они могут работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Недостатком полупроводниковых лазеров является связанная с их малыми размерами невысокая направленность излучения, а также трудность получения высокой монохроматичности.

3. Жидкостные лазеры

Их основное преимущество -- возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения, что позволяет получать большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах. Созданы лазеры на основе растворов редкоземельных ионов в ряде неорганических жидкостей, а также лазеры непрерывного и импульсного действия, у которых в качестве активной среды используются растворы органических красителей.

В резонатор жидкостных лазеров вместо стеклянного стержня помещают кювету с раствором. Инверсия осуществляется за счет накачки от импульсных ламп. Коэффициент преобразования энергии оптической накачки в энергию генерации достигает 50%.

Лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности, при этом они генерируют излучение с узким спектром частот. Лазеры на органических жидкостях обладают интересными особенностями. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют создавать лазеры с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне порядка нескольких сотен ангстрем. Заменяя органические красители, можно обеспечить перекрытие всего видимого и части инфракрасного участков спектров.

Рис. 2. Схемы газовых лазеров: а - гелий-неонового; б -- углекислотного; t газодинамического

4. Газовые лазеры

Принципиальное устройство лазеров этого типа гораздо проще уже рассмотренных. Стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В ее торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания (рис. 2). В трубке возбуждается газовый разряд. Для газовых лазеров подбирают специальные активные смеси, атомы или молекулы которых могут некоторое время находиться в метастабильном состоянии. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают меньшей плотностью и более высокой однородностью, что не вызывает искажения светового луча, его рассеяния и потерь энергии. В результате направленность лазерного излучения в газах резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией. В качестве активных газов в OKJ применяют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с добавкой азота и гелия. Газовые ОКГ подразделяют на три большие группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.

Примером атомного лазера является гелиево-неоновый ОКГ (рис.2(а)). В этом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Атомы гелия служат для передачи энергии возбуждения. В результате этой передачи атомы неона возбуждаются, а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Газоразрядная трубка 1 лазера заполняется гелием и неоном с парциальными давлениями соответственно 133 и 13 Па. От источника высокого напряжения 4 в трубке создается высоковольтный электрический разряд 2, который возбуждает атомы гелия и неона за счет соударений с электронами. Излучение выходит через полупрозрачное зеркало 3. Гелиево-неоновый ОКГ имеет небольшую мощность, но из-за простоты устройства, надежности и достаточно высоких параметров излучения он получил широкое распространение.

В ионных газовых ОКГ используются переходы между энергетическими уровнями ионов благородных газов (ксенона, аргона, неона, криптона), а также фосфора, серы и хлора. Типичным представителем этой группы является аргоновый лазер, который по конструкции похож на гелиево-неоновый ОКГ. Мощность ОКГ этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах. Газовый ОКГ на аргоне генерирует излучение мощностью до 150--500 Вт в непрерывном режиме.

Наибольшие мощность и КПД имеют газовые ОКГ, генерирующие колебания на молекулярных переходах. К этой группе относят ОКГ, работающие на углекислом газе.

В газоразрядных лазерах инверсия заселенностей достигается за счет возбуждения молекул электронным ударом и резонансной передачей энергии возбуждения. Для передачи энергии возбуждения в них служат молекулы азота N2, которые в свою очередь возбуждаются электронным ударом. В условиях тлеющего разряда обычно до 90 % молекул азота переходят в возбужденное состояние, время жизни которого велико. Молекулярный азот хорошо накапливает энергию возбуждения и в процессе неупругих столкновений легко передает ее молекулам СО2. Высокая инверсия заселенностей достигается добавлением в рабочую смесь Не, который облегчает условия возникновения разряда и благодаря своей высокой теплопроводности охлаждает разряд, а также способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы СО2.

Принципиальная схема ОКГ на СО2 приведена на рис.2(6). Электрический разряд возбуждается в охлаждаемой стеклянной газоразрядной трубке 5 между электродами 6 с помощью высоковольтного источника питания 4. Излучение выводится через окно 3 из материала, пропускающего инфракрасные лучи, например из кристаллов KBr, NaCl или Ge.

При схеме ОКГ с продольной прокачкой газа, как показано на рис. 2(6), с 1 м длины резонатора можно снимать мощность не более 50 Вт, для получения большей мощности приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора, что достигается за счет использования многотрубных систем, в которых луч с помощью зеркал последовательно проходит через ряд труб.

Наиболее эффективными лазерами на СО2 являются системы с поперечной относительно направления электрического тока продувкой газа. В них используют интенсивную прокачку газа через объем резонатора с охлаждением его в теплообменнике. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой и секционированным катодом. В качестве рабочего газа используется смесь CO2-N2-He. Расход газовой смеси через разрядную камеру составляет 2--3 м3/с. В ОКГ этого типа можно получить съем мощности до 16 Вт с 1 см3 газа. Электроразрядные лазеры с поперечной прокачкой газа работают в непрерывном режиме генерации.

Газодинамические лазеры. Их характерной особенностью является создание быстрых потоков газовых масс. Инверсия заселенностей в них осуществляется при резком охлаждении предварительно нагретой рабочей смеси путем адиабатического расширения газа. При нагревании газа молекулы переходят на верхние уровни. Но при этом сохраняется обычное больцмановское распределение по энергетическим уровням с большим заселением нижних уровней по сравнению с верхними.

При охлаждении газа молекулы должны перейти на нижние уровни. Скорость их перехода зависит от времени жизни на том или ином уровне. Поскольку время жизни верхнего лазерного уровня молекулы СО2 гораздо больше времени жизни нижнего, расселение нижнего уровня идет с большей скоростью. При адиабатическом расширении газа в сопле происходит его резкое охлаждение на выходе из сопла. Поэтому в различных областях среды будет иметь место различное расселение молекул по энергетическим уровням. В прилегающей к соплу зоне еще будет преобладать заселенность нижнего уровня, но на некотором расстоянии от сопла, соответствующем времени распространения струй газа до этого сечения, нижние уровни будут опустошаться быстрее верхних, и в этой зоне будет существовать инверсия заселенностей.

Список литературы

1. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. Учебник для ВУЗов по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий», М.: «Высшая школа», 1988, 336с.

2. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. Учебное пособие для ВУЗов, А.: «Мектеп», 1983, 272с.

3. Прикладная электрохимия. Под редакцией А.П. Томилова. Учебник для студентов ВУЗов, М.: «Химия», 1984, 520с.

4. Электротехнологические промышленные установки. Под редакцией А.Д. Свенчанского. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства», М.: Энергоатомиздат, 1982, 400с.

Размещено на Allbest.ru