Применение лазера

Лазеры - это генераторы и усилители когерентного излучения в оптическом диапазоне, действие которых основано на индуцированном (вызванном полем световой волны) излучении квантовых систем - атомов, ионов, молекул, находящихся в состояниях, существенно отличных от термодинамического равновесия. Лазеры, как и мазеры, генераторы и усилители СВЧ диапазона, называют еще квантовыми генераторами (усилителями), поскольку поведение участвующих в их работе частиц описывается законами квантовой механики. Принципиальным отличием лазеров от всех других источников света (тепловых, газоразрядных и др.), представляющих собой по сути дела источники оптического шума, является высокая степень когерентности лазерного излучения. С созданием лазеров в оптическом диапазоне появились источники излучения, аналогичные привычным в радиодиапазоне генераторам когерентных сигналов, способные успешно использоваться для целей связи и передачи информации, а по многим своим свойствам - направленности излучения, полосе передаваемых частот, низкому уровню шумов, концентрации энергии во времени и т.д. - превосходящие классические устройства радиодиапазона.

Отметим, что высокая степень когерентности достигается за счет того, что лазерное излучение получается именно за счет индуцированных полем световой волны переходов с одного (верхнего) уровня квантовой системы на другой (нижний), при которых излучение каждой микрочастицы когерентно с вызвавшей его волной, а следовательно, излучение всех частиц когерентно между собой. Во всех других источниках света излучение рождается за счет спонтанных, случайных и некорелированных между собой переходов микрочастиц, и поэтому его когерентность крайне низка. Понятие об индуцированном излучении было введено в физику А. Эйнштейном в 1916 году, он же предсказал когерентность вынуждающему излучению, которая была позже (1929 год) строго обоснована Дираком в созданной им квантовой теории излучения. Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение относится, очевидно, к 1928 году, когда Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы. В 1939 году советский физик В.А. Фабрикант, изучавший отрицательное поглощение в газах, указал на возможность усиления света за счет индуцированного излучения как на способ обнаружения этого излучения. Несмотря на важность сделанных в этих работах выводов, они, к сожалению, остались практически не замеченными и не оказали существенного влияния на создание лазеров, как и поданная В.А. Фабрикантом с сотрудниками в 1951 году заявка на изобретение "нового способа усиления электромагнитного излучения УФ, видимого, ИК и радиодиапазонов", которая была опубликована только в 1959 году, уже после создания мазеров и публикаций другими учеными предложений о создании лазеров [Донина Н.М., 1974]. Хотя, как следует из изложенного выше, основные понятия квантовой электроники (об индуцированном излучении, инверсии, возможности усиления за счет индуцированного излучения) были сформулированы уже к 1940 году применительно к оптике, создание квантовых приборов шло от мазеров к лазерам, от радиодиапазона к оптическому. То, что первые квантовые приборы появились в радиодиапазоне (СВЧ), связано с тем, что классическая радиофизика не могла решить традиционными для нее методами ряд очень важных с практической точки зрения проблем, таких, как освоение более коротких волн, создание в коротковолновом диапазоне высокостабильных, малошумящих и достаточно мощных приборов. Это настоятельно заставляло искать другой подход к решению этих проблем и привело к созданию в СВЧ-диапазоне принципиально новых приборов - квантовых усилителей и генераторов. Первый квантовый генератор, работающий на переходе молекулы аммиака с длиной волны 1,25 см, был реализован в 1954 году Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) и группой под руководством Ч. Таунса в Колумбийском университете (США). Первые квантовые усилители СВЧ-диапазона были созданы в 1956 году в ФИАН под руководством А.М. Прохорова и в фирме "Белл телефон" (США) [Донина Н.М., 1974]. Квантовые генераторы СВЧ, обладающие высокой стабильностью частоты, нашли применение в службе времени, радионавигации. Квантовые парамагнитные усилители с чрезвычайно низким уровнем собственных шумов позволили повысить на два - три порядка чувствительность приемных устройств СВЧ-диапазона, что обеспечило громадный успех в радиоастрономии, трансконтинентальной связи через космос и вообще в приеме слабых сигналов. В оптике же привыкли иметь дело со спонтанным (шумовым) излучением, вопрос о создании мощного генератора когерентных колебаний у оптиков как-то вообще не возникал. Первый лазер был создан в 1960 году, через 6 лет после создания мазера, причем определяющими для его создания были идеи и предложения создателей мазеров А.М. Прохорова и Н.Г. Басова (ФИАН), И. Таунса и А. Шавлова (США). Появление лазеров произвело революцию в оптике: появились не существовавшие до этого мощные источники когерентного излучения с высокой направленностью, яркостью, способные концентрировать громадную энергию в чрезвычайно малых спектральных, временных и пространственных интервалах. В становлении и развитии квантовой радиофизики, создании мазеров и лазеров большую роль сыграли работы отечественных ученых. Международным признанием этой роли явилось присуждение в 1964 году Н.Г. Басову и А.М. Прохорову вместе с Ч. Таунсом Нобелевской премии по физике за "основополагающие работы в области квантовой радиофизики, которые привели к созданию генераторов и усилителей в радио и оптическом диапазоне длин волн (мазеров и лазеров)".

Первый лазер

Работы по лазерам в лаборатории люминесценции ФИАН возникли по инициативе Н. Г. Басова. осенью 1960 года, вызванной тем, что, начиная с 1958 года, когда Шавлов и Таунс, а также Прохоров опубликовали статьи о перспективности получения генерации в оптической области спектра с использованием индуцированного излучения, а затем американскими учеными (Мейманом и другими) в 1960 году были получены обнадеживающие результаты с рубином. М. Д. Галанин с радостью откликнулся на это предложение и он сам, Зоя Афанасьевна Чижикова занялись этой проблемой. В начале мы повторили опыты американцев по обнаружению изменения населенности верхнего уровня хрома при накачке импульсной лампой. Поскольку эти результаты были повторением американских опытов, то они опубликованы не были, а вошли только в закрытый отчет 1960 года. В начале 1961 года появились публикации Меймана о получении оптической генерации в рубине (как стало понятно потом, он получил еще не генерацию, а только усиление люминесценции индуцированным излучением — сверхлюминесценцию). Настоящая, «пичковая» генерация в рубине была получена в работе группы Шавлова, опубликованной тоже в 1961 году, но позднее работы Меймана. Весной 1961 г. наша группа создала собственно лазерную установку, в которой образец рубина с концентрацией хрома 0,05 % и длиной 4 см накачивался 2 импульсными лампами в кожухе с напылением MgO.

На этой установке добились генерации 18 сентября 1961 года (через 5 месяцев после публикации Меймана 1961 г.). Подробное описание лазера было дано в закрытом отчете ФИАН в декабре 1961 года. После исследования когерентных свойств излучения нашего лазера опубликовали статью в ЖЭТФ, т. 43, № 7, за 1962 г.

Эта была первая публикация в Советском Союзе по эксперименту с оптическим генератором. Продолжая эту работу, мы опубликовали также заметку о пичковом режиме рубинового лазера в «Оптике и спектроскопии», т. 14 № 2, за 1963 г. (авторы — Галанин, Леонтович, Свириденков, Сморчков, Чижикова). В этой и следующей работе, которые были доложены на 3-й международной конференции по квантовой электронике, проходившей в Париже в феврале 1963 года, советскими учёными было показано, что режим пульсаций и когерентность излучения взаимно связаны.

Фотографировали также и «модные картинки», т.е. распределение интенсивности излучения в поперечном сечении при генерации одного типа колебаний — моды.

Оно хорошо укладывалось в теоретическое распределение, если считать, что резонатор аналогичен резонатору со сферическими зеркалами. Эта «сферичность» возникала как из-за начальных оптических неоднородностей образцов рубина, так и из-за термо-оптических искажений, вызванных светом накачки.

На первых этапах работы много внимания было отдано качеству рубиновых образцов (как оптического, так и в отношении примесей), к которому предъявляются высокие требования. В ФИАНе не было соответствующей аппаратуры для изготовления рубина и мы получали его из 2-х мест — из Института кристаллографии и из «почтового ящика», который снабжал до этого мазерные работы, и пробовались и те, и другие. Причем рубины как раз из Института кристаллографии не заработали. А загенерировали образцы из почтового ящика.

Тогда был какой-то предрассудок насчет формы образцов — все первые рубины были в форме параллелепипедов, и американские, и наши. Это, по-видимому, было наследие от мазерной эры. Может быть также, сыграла свою роль и одна работа Прохорова, в которой обсуждался вопрос о резонаторе для оптических генераторов, и в ней резонаторы другой формы не рассматривались. А потом было понято, что это не играет роли, что важна только параллельность торцов этих кристаллов, на которые тогда и наносились зеркала. Потом появились образцы цилиндричесой формы, и также, когда стали применять внешние зеркала — с брюстеровскими торцами.

В конце концов оказалось, что хаос в пульсациях не имеет отношения к проблеме странного аттрактора, а обусловлен тепловыми нестабильностями термических и оптико-механических свойств при нагревании той же лампой, что осуществляет и оптическую накачку.

Принцип работы и устройство лазера

Как уже отмечалось, генерация в лазере достигается за счет индуцированного излучения на некотором переходе между уровнями квантовой системы. Рисунок 1 демонстрирует возможные переходы в простейшей двухуровневой системе, как вызванные полем (поглощение и индуцированное излучение), так и не зависящие от него (спонтанное излучение и безизлучательная релаксация).

Рис. 1. Возможные переходы в двухуровневой системе. Вероятности: W_c - спонтанного излучения, R - безизлучательной релаксации, W₁₂ - поглощения, W₂₁ - индуцированного излучения. n₂ и n₁ - плотности населенностей, F₂ и F₁ - скорости накачки (число частиц, поставляемых в единицу времени и в единицу объема) на уровни 2 и 1.

В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные релаксационные процессы определяют время жизни частицы в возбужденном состоянии ( Обозначенные на рисунке 1 вероятности имеют вид и зависят как от свойств квантовой системы (через коэффициенты Эйнштейна B₂₁ и B₁₂), так и от приложенного поля - объемной плотности его энергии B₂₁ = B₁₂ , W₂₁ = W₁₂ [Советская энциклопедия, 1969]. При этом, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, то есть число переходов вниз W₂₁n₂ было больше числа переходов вверх W₁₂n₁, необходимо, чтобы n₂ > n₁: на верхнем уровне частиц должно быть больше, чем на нижнем. Среда, для которой выполняется условие n₂ > n₁, называется средой с инвертированной населенностью, и условие инверсии n₂ > n₁ является необходимым условием для усиления волны средой и работы лазера. Ясно, что при термодинамическом равновесии инверсия существовать не может, поскольку, согласно закону Больцмана, и на верхнем уровне частиц меньше, чем на нижнем. Поэтому для получения инверсии среду нужно увести от состояния равновесия. Инверсия населенностей в лазерах достигается в результате совместного действия процессов заселения (накачки) соответствующих уровней и их дезактивации (очистки). Согласно рисунку 1, для достижения стационарной инверсии необходимо выполнение соотношения то есть произведение скорости накачки на время релаксации для верхнего уровня должно быть больше, чем для нижнего. Из этого следует, что предпочтительной является селективная накачка и что инверсия может быть достигнута не только за счет преимущественного заселения верхнего лазерного уровня, но и за счет высокой скорости очистки нижнего. Заселение уровней в лазерах может осуществляться [Карлов Н.В., 1988, Тарасов Л.В., 1981]: - за счет поглощения света (оптическая накачка). Подбирая источник света с соответствующим спектром, можно обеспечить высокую селективность накачки. Наиболее успешно этот вид накачки используется в твердотельных (на кристаллах и стеклах) лазерах и в лазерах на красителях. - в неупругих столкновениях атомов и молекул со свободными электронами, при которых часть энергии электрона идет на возбуждение атома или молекулы. Свободные электроны могут создаваться или в газовом разряде, или вводиться в газ в виде пучка, сформированного в ускорителе. - за счет неупругих столкновений атомов рабочего вещества с возбужденными атомами или ионами вспомогательного газа с передачей энергии возбуждения от них рабочему веществу. В некоторых типах столкновений передача энергии носит резонансный характер и достигается высокая степень селективности заселения уровней. - в процессе специально подобранных химических реакций (химическая накачка); при этом возбуждаются колебательные уровни молекул, причем возбуждение может быть селективным. - за счет нагрева (тепловая накачка). Этот метод используется для накачки колебательных уровней в молекулах, инверсия на переходах между которыми осуществляется за счет различных времен релаксации для верхнего и нижнего лазерных уровней при быстром адиабатическом расширении газа. На этом принципе основана работа газодинамических лазеров. Очистка возбужденных состояний осуществляется: спонтанным излучением; в столкновениях с электронами или атомами примесного газа, при которых энергия возбуждения передается от рабочего вещества электронам или атомам примеси; при адиабатическом расширении газа; в специально подобранных химических реакциях. Таким образом, среда с инверсией населенности способна усиливать световую волну. При коэффициенте усиления на единицу длины ₁ будет усилен (при отсутствии насыщения) до значения Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество (рис. 2). Следует отметить, что система из двух параллельных зеркал обладает резонансными свойствами - резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур. Использование именно открытого резонатора (а не закрытого - замкнутой металлической полости - характерного для СВЧ диапазона) принципиально, так как в оптическом диапазоне резонатор с размерами L - характерный размер резонатора,

Рис. 2. Принципиальная схема лазера.

Однако резонатор в лазере не только обеспечивает обратную связь за счет возврата отраженного от зеркал излучения в активное вещество, но и определяет спектр излучения лазера, его энергетические характеристики, направленность излучения [Тарасов Л.В., 1981]. В простейшем приближении плоской волны условие резонанса в резонаторе с плоскими зеркалами заключается в том, что на длине резонатора укладывается целое число полуволн: q - целое число), что приводит к выражению для частоты типа колебаний с индексом q: и расстоянию по частоте между соседними (q отличается на 1) модами: На рисунке 3 приведен частотный профиль коэффициента усиления в рабочем веществе (он определяется шириной и формой линии рабочего вещества) и набор собственных частот открытого резонатора. Для используемых в лазерах открытых резонаторов с высокой добротностью полоса пропускания резонатора

Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента усиления в рабочем веществе

Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление Итак, если коэффициент усиления в рабочем веществе перекрывает потери в резонаторе для определенных типов колебаний, на них возникает генерация. Затравкой для ее возникновения являются, как и в любом генераторе, шумы, представляющие в лазерах спонтанное излучение.

Режимы работы лазеров

Если в процессе работы лазера параметры резонатора (потери и связанная с ними добротность) остаются неизменными, лазер работает в так называемом "режиме свободных колебаний". Очевидно, что в этом случае при стационарной накачке лазер будет работать в непрерывном режиме, при импульсной накачке - в импульсном. Достоинством непрерывного режима является то, что в этом режиме наиболее полно реализуются такие свойства лазеров, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения. В импульсном режиме в активную среду может быть введена значительно более высокая мощность накачки и соответственно получены большие мощности генерации. Кроме того, в импульсном режиме за счет переходных процессов может быть получена инверсия и генерация на таких переходах, где в стационарном режиме инверсия достигнута быть не может. Отметим, что импульсный режим генерации может быть осуществлен и за счет управления параметрами резонатора [Карлов Н.В., 1988, Тарасов Л.В., 1981]. Ниже рассмотрены два примера, иллюстрирующие это.

Режим модулированной добротности (режим генерации гигантских импульсов)

Допустим, что накачка осуществляется при низкой добротности резонатора (высоких потерях), так что генерация возникнуть не может. Тогда может быть достигнута максимальная для данной скорости накачки F₂ разность населенностей Если эту запасенную энергию высветить в импульсе длительностью Режим модулированной добротности осуществляется следующим образом: по достижении максимальной инверсии добротность резонатора быстро увеличивается, потери уменьшаются и начинает развиваться генерация, проходя сперва линейный этап развития из спонтанного излучения, а затем быстрый нелинейный этап, за время которого запасенная в рабочем веществе энергия выплескивается в виде короткого (на практике до 3-10 нс) и мощного импульса. Типичные значения достигаемых мощностей соответствуют 10⁷ - 10⁸ Вт, рекордные - 10¹³-10¹⁵ Вт. Например, для рубинового лазера, дающего в режиме свободных колебаний Р = 10³ Вт при ⁸ Вт, то есть возрастает на 5 порядков. Быстрое включение добротности (изменение потерь от высоких к низким) можно осуществить различными способами: механическим, вращая одно из зеркал, или электооптическим, помещая в резонатор ячейку Керра, работу которой как затвора можно обеспечить подачей на нее напряжения.

Метод синхронизации продольных мод

Еще более короткие световые импульсы удается получить, используя метод синхронизации продольных мод [Тарасов Л.В., 1981, Брюннер В., Юнге К., 1991]. Как уже отмечалось, расстояние между продольными модами меньше ширины линии рабочего перехода в лазере, и возможна генерация лазера на нескольких продольных модах. В газах ширина линии ⁹ Гц, в твердотельных лазерах 10¹¹-10¹² Гц, в лазерах на красителях 10¹³-10¹⁴ Гц. При L = 1 м) это дает число мод ⁵-10⁶ для лазеров на красителях. В обычных условиях излучение разных мод не связано (не синхронизировано) друг с другом и отдельные моды выступают как независимые генераторы. Если жестко связать фазы отдельных мод, то есть заставить их генерировать синхронно, излучение лазера приобретает вид последовательности коротких импульсов, следующих друг за другом с периодом T = 2L/c и имеющих в пределе длительность М раз) по сравнению c несинхронизированным режимом. Жесткого закрепления фазовых соотношений между модами можно добиться, осуществляя модуляцию потерь в резонаторе с частотой В режиме синхронизации от лазеров удается получить сверхкороткие световые импульсы (10^-12-10^-13 с) высокой мощности. С помощью специальных методов длительность импульсов удается довести до 10^-14 - 10^-15 с [Брюннер В., Юнге К., 1991]

Виды лазеров.

Газовый лазер

Газовый лазер, лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным.

Испущенная в каком-либо месте трубки световая волна при распространении её через газ усиливается за счёт актов вынужденного испускания, порождающих лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично проходит через него. Эта часть световой энергии излучается Г. л. вовне. Другая же часть отражается от зеркала и даёт начало новой лавине фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению распространения. Благодаря этому излучение лазера может обладать чрезвычайно большой монохроматичностью, мощностью и резкой направленностью (см. Лазер, Квантовая электроника).

Первый Г. л. был создан в США в 1960 А. Джаваном. Существующие Г. л. работают в очень широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетового излучения до далёкого инфракрасного излучения — как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В табл. приведены некоторые данные о наиболее распространённых Г. л. непрерывного действия.

Из Г. л., работающих только в импульсном режиме, наибольший интерес представляют лазеры ультрафиолетового диапазона на ионах Ne (l = 0,2358 мкм и l = 0,3328 мкм) и на молекулах N₂ (l = 0,3371 мкм). Азотный лазер обладает большой импульсной мощностью.

В излучении Г. л. наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения (см. ниже) и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность Г. л. С помощью Г. л. возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Открываются новые области применения Г. л., например в космических исследованиях.

Особенности газов как лазерных материалов. По сравнению с твёрдыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе практически не искажается, не рассеивается и не испытывает потерь энергии. В таких лазерах сравнительно просто возбудить только один тип электромагнитных волн (одну моду). В результате направленность лазерного излучения резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией света. Расходимость светового луча Г. л. в области видимого света составляет 10^-5 — 10^-4 рад, а в инфракрасной области 10^-4— 10^-3 рад.

В отличие от твёрдых тел и жидкостей, составляющие газ частицы (атомы, молекулы или ионы) взаимодействуют друг с другом только при соударениях в процессе теплового движения. Это взаимодействие слабо влияет на расположение уровней энергии частиц. Поэтому энергетический спектр газа соответствует уровням энергии отдельных частиц. Спектральные линии, соответствующие переходам частиц с одного уровня энергии на другой, в газе уширены незначительно. Узость спектральных линий в газе приводит к тому, что в линию попадает мало мод резонатора.

Так как газ практически не влияет на распространение излучения в резонаторе, стабильность частоты излучения Г. л. зависит главным образом от неподвижности зеркал и всей конструкции резонатора. Это приводит к чрезвычайно высокой стабильности частоты излучения Г. л. Частота w излучения Г. л. воспроизводится с точностью до 10^-11, а относительная стабильность частоты

Малая плотность газов препятствует получению высокой концентрации возбуждённых частиц. Поэтому плотность генерируемой энергии у Г. л. существенно ниже, чем у твердотельных лазеров.

Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах. Активной средой Г. л. является совокупность возбуждённых частиц газа (атомов, молекул, ионов), обладающих инверсией населённостей. Это означает, что число частиц, «населяющих» более высокие уровни энергии, больше, чем число частиц, находящихся на более низких энергетических уровнях. В обычных условиях теплового равновесия имеет место обратная картина — населённость низших уровней больше, чем более высоких (см. Больцмана статистика). В случае инверсии населённостей акты вынужденного испускания фотонов с энергией hn = Ев - Ен, сопровождающие вынужденный переход частиц с верхнего уровня Ев на нижний Ен, преобладают над актами поглощения этих фотонов. В результате этого активный газ может генерировать электромагнитное излучение частоты

или с длиной волны

Одна из особенностей газа (или смеси газов) — многообразие физических процессов, приводящих к его возбуждению и созданию в нём инверсии населённостей. Возбуждение активной среды излучением газоразрядных ламп, нашедшее широкое применение в твердотельных и жидкостных лазерах, мало эффективно для получения инверсии населённостей в Г. л., т. к. газы обладают узкими линиями поглощения, а лампы излучают свет в широком интервале длин волн. В результате может быть использована только ничтожная часть мощности источника накачки (кпд мал). В подавляющем большинстве Г. л. инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразрядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях с частицами газа (электронный удар) возбуждают их, переводя на более высокие уровни энергии. Если время жизни частиц на верхнем уровне энергии больше, чем на нижнем, то в газе создаётся устойчивая инверсия населённостей. Возбуждение атомов и молекул электронным ударом является наиболее разработанным методом получения инверсии населённостей в газах. Метод электронного удара применим для возбуждения Г. л. как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Возбуждение электронным ударом удачно сочетается с др. механизмом возбуждения — передачей энергии, необходимой для возбуждения частиц одного сорта от частиц др. сорта при неупругих соударениях (резонансная передача возбуждения). Такая передача весьма эффективна при совпадении уровней энергии у частиц разного сорта (рис. 1).

В этих случаях создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний лазерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни. Именно по такой схеме осуществляется инверсия населённостей в гелий-неоновом лазере.

Гелий-неоновый лазер (А. Джаван, США, 1960). В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона Ne. Атомы гелия Не служат для передачи энергии возбуждения. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня e₁ на возбуждённый верхний уровень энергии E₃. Но в чистом Ne время жизни на уровне E₃ мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни E₁ и E₂, что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населённостей для пары уровней E₂ и E₃. Примесь Не существенно меняет ситуацию. Первый возбуждённый уровень Не совпадает с верхним уровнем E₃ неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов Не с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией E₁) происходит передача возбуждения, в результате которой атомы Ne будут возбуждены, а атомы Не вернутся в основное состояние. При достаточно большом количестве атомов Не можно добиться преимущественного заселения уровня неона. Этому же способствует опустошение уровня E₂ неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки. Для эффективного опустошения уровня E₂ диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает количество Ne и, следовательно, мощность генерации, Оптимальным, с точки зрения максимальной мощности генерации, является диаметр около 7 мм. Т. о., в результате специального подбора количеств (парциальных давлений) Ne и Не и при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населённостей уровней энергии E₂ и E₃ неона.

неона E₂ и E_3. Уровни обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и инфракрасного излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия. Это позволяет создать необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте.

Основной конструктивный элемент гелий-неонового лазера — газоразрядная трубка (обычно из кварца). Давление газа в разряде 1 мм рт. ст., причём количество Не обычно в 10 раз больше, чем Ne. На рис. 2 приведена конструкция гелий-неонового лазера, разработанная для применения в открытом космосе. Разрядная трубка с внутренним диаметром 1,5 мм из корундовой керамики помещена между полупрозрачным зеркалом и отражающей призмой, смонтированными на жёсткой бериллиевой трубе (цилиндре). Разряд осуществляется на постоянном токе (8 ма, 1000 в) в двух секциях (каждая длиной 127 мм) с общим центральным катодом. Холодный оксиднотанталовый катод (диаметром 48 мм и длиной 51 мм) разделён на 2 половины диэлектрической прокладкой, обеспечивающей более однородное распределение тока по поверхности катода. Вакуумные сильфоны из нержавеющей стали, являющиеся анодами, образуют подвижное соединение каждой трубки с держателями зеркала и призмы. Кожух завершен с левого конца выходным окном. Лазер рассчитан на работу в космосе в течение 10 000 ч.

Мощность излучения гелий-неоновых лазеров может достигать десятых долей вт, кпд не превышает 0,01%, но высокая монохроматичность и направленность излучения, простота в обращении и надёжность конструкции обусловили их широкое применение. Красный гелий-неоновый лазер (l = 0,6328 мкм) используется при юстировочных и нивелировочных работах (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений). Гелий-неоновый лазер широко применяется в оптической связи и локации, в голографии и в квантовых гироскопах.

Лазер на углекислом газе (К. Пател, США, Ф. Легей, Н. Легей-Соммер, Франция, 1964). Молекулы, в отличие от атомов, имеют не только электронные, но и т. н. колебательные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов, составляющих молекулу, относительно положений равновесия (см. Молекула). Переходы между колебательными уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в которых используются эти переходы, называются молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особенно интересен лазер, в котором используются колебательные уровни молекулы СО₂, между которыми создаётся инверсия населённостей (СО₂-лазер).

В газоразрядных CO₂ -лазерах инверсия населённостей также достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N₂, возбуждаемые, в свою очередь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам CO₂ в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей достигается при добавлении в разрядную смесь Не, который, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO₂. Эффективное возбуждение СО₂-лазеров может быть достигнуто химическими или газодинамическими методами.

Тонкая структура колебательных уровней молекулы C0₂ позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) скачками через 30—50 Ггц в интервале длин волн от 9,4 до 10,6 мкм.

СО₂-лазеры обладают высокой мощностью (наибольшая мощность лазерного излучения в непрерывном режиме) и высоким кпд. При возбуждении молекул CO₂ электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200 м СО₂-лазер излучает мощность 9 квт. Существуют компактные конструкции с выходной мощностью в 1 квт. Кроме высокой выходной мощности, СО₂-лазеры обладают большим кпд, достигающим 15—20% (возможно достижение кпд 40%). СО₂-лазеры могут принципиально эффективно работать и в импульсном режиме. Перечисленные особенности CO₂-лазеров обусловливают многообразие их применения: технологические процессы (резание, сварка), локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с l = 10 мкм), физические исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (высокая мощность излучения), исследование материалов и т. д.

Газоразрядные трубки СО₂-лазеров имеют диаметр от 2 до 10 см, длина их может быть очень большой (рис. 3). Обычно применяются секционные (модульные) конструкции с током разряда до нескольких а при напряжениях до 10 кв на секцию. Т. к. мощность СО₂-лазеров непрерывного действия достигает очень высоких значений, серьёзной проблемой является изготовление достаточно долговечных зеркал хорошего оптического качества. Применяются покрытые золотом сапфировые или металлические зеркала. Вывод излучения зачастую производится через отверстия в зеркалах. В качестве полупрозрачных выходных зеркал применяются пластины из высокоомного германия, арсенида галлия и т. п.

В электрическом разряде СО₂-лазеров имеют место нежелательные эффекты, разрушающие инверсию населённостей, — разогрев газа и диссоциация его молекул. Для их устранения газовая смесь непрерывно «прогоняется» через разрядные трубы лазеров. Так происходит обновление активной среды. Для получения больших мощностей (несколько квт) в непрерывном режиме газ прогоняют через трубку с большой скоростью и разряд происходит в сверхзвуковом потоке. Для того чтобы избежать потерь дорогостоящего Не, газовая смесь циркулирует по замкнутому контуру. Возбуждение электронным ударом производится либо в резонаторе, либо непосредственно перед поступлением смеси в резонатор. В лучших приборах практически все молекулы CO₂, влетающие в резонатор, уже возбуждены и за время пролёта через резонатор отдают энергию возбуждения в виде кванта излучения.

Ионные лазеры (У. Бриджес, США, 1964). В ионных лазерах инверсия населённостей создаётся между электронными уровнями энергии ионизированных атомов инертных газов и паров металлов. Инверсия населённостей достигается выбором пары уровней, для которой нижний лазерный уровень обладает меньшим, а верхний — большим временами жизни. Необходимость создания большого количества ионов приводит к тому, что плотность тока газового разряда в ионных лазерах достигает десятков тысяч а/см² Электрический разряд осуществляется в тонких капиллярах диаметром до 5 мм. При больших плотностях тока газ увлекается током от анода к катоду. Для компенсации этого эффекта анодная и катодная области разрядной трубки соединяются дополнительной длинной трубкой малого диаметра, обеспечивающей обратное движение газа.

Ввиду высокой плотности тока для изготовления газоразрядных трубок ионных лазеров применяются металлокерамические конструкции или трубки из бериллиевой керамики, обладающие высокой теплопроводностью. Кпд ионных лазеров не превышает 0,01%. В области видимого света сравнительно высокой мощностью в непрерывном режиме обладают аргоновые лазеры. Аргоновый ионный лазер генерирует излучение с l = 0,5145 мкм (зелёный луч) мощностью до нескольких десятков вт. Он применяется в технологии обработки твёрдых материалов, при физических исследованиях, в оптических линиях связи, при оптической локации искусственных спутников Земли.

  Ионный лазер на смеси ионов аргона и криптона обладает способностью перестраиваться по длине волны (сменой зеркал) во всём видимом диапазоне. Он излучает мощность до 0,1 вт на волнах 0,4880 мкм (синий), 0,5145 мкм (зелёный), 0,5682 мкм (жёлтый) и 0,6471 мкм (красный луч).

Весьма перспективен лазер на парах кадмия, работающий в непрерывном режиме в синей (0,4416 мкм) и ультрафиолетовой (0,3250 мкм) областях спектра и обладающий высокой монохроматичностью. Пары Cd образуются в испарителе, расположенном около анода (рис. 4). Они сильно разбавлены Не. Равномерное распределение Cd в газоразрядной трубке и подбор его концентрации достигаются увлечением паров Cd ионами Не от анода к катоду. Плотность паров Cd определяется температурой подогревателя. В охладителе около катода Cd конденсируется. Трубка диаметром 2,5 мм и длиной 140 см при давлении Не 4,5 мм рт. ст., температуре подогревателя 250 °С, токе разряда 0,12 а и напряжении 4 кв позволяет получить мощность 0,1 вт в синей и 0,004 вт в ультрафиолетовой областях спектра. Кадмиевый лазер применяется в оптических исследованиях океанографии, а также фотобиологии и фотохимии.

Газодинамические лазеры (В. К. Конюхов и А. М. Прохоров, СССР, 1966). Характерной особенностью газов является возможность создания быстрых потоков газовых масс. Если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через сопло, то его температура резко падает. При внезапном снижении температуры молекулярного газа колебательные уровни энергии молекул могут оказаться возбуждёнными (газодинамическое возбуждение). Существует СО₂-лазер с газодинамическим возбуждением. При газодинамическом возбуждении тепловая энергия непосредственно преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Мощность излучения газодинамических лазеров, работающих в непрерывном режиме, достигает 100 квт.

Химические лазеры.

Инверсия населённостей в некоторых газах может быть создана в результате химических реакций, при; которых образуются возбуждённые атомы, радикалы или молекулы. Газовая среда удобна для химического возбуждения, т. к. реагирующие вещества легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Примером химического возбуждения может служить возбуждение при цепной реакции соединения фтора с дейтерием, в результате которой получается возбуждённый дейтерид фтора DF, передающий в дальнейшем энергию своего возбуждения молекулам CO₂. Удаление продуктов реакции обеспечивает непрерывный характер работы этих лазеров.

К химическим лазерам примыкают Г. л., в которых инверсия населённостей достигается с помощью реакций фотодиссоциации (распада молекул под действием света). Это быстропротекающие реакции, в ходе которых возникают возбуждённые радикалы или атомы. Существует лазер на фотодиссоциации молекулы CF_зI (С. Г. Раутиан, И. И. Собельман, СССР). Диссоциация происходит под действием излучения ксеноновой лампы-вспышки. Осколком реакции является возбужденный атомарный ион I⁺

Лазер

Длина волны,мкм

Мощность, вт

Кадмиевый

0,3250

несколько тысячных долей

Кадмиевый

0,4416

десятые доли

Аргоновый

0,4880

единицы

Аргоновый

0,5145

десятки

Криптоновый

0,5682

единицы

Гелий-неоновый

0,6328

десятые доли

Гелий-неоновый

1,1523

сотые доли

Ксеноновый

2,0261

сотые доли

Гелий-неоновый

3,3912

сотые доли

СО-лазер

5,6-5,9

сотни

СО₂-лазер

9,4-10,6

дес. тысяч

Лазер на молекулах HCN

337

тысячные доли

Рис. 1. Схематическое изображение кадмиевого лазера: 1 — зеркала; 2 — окна для выхода излучения; 3 — катод (слева) и анод (справа); 4 — испаритель кадмия; 5 — конденсатор паров кадмия; 6 — газоразрядная трубка.

Рис. 2. Поперечное сечение конструкции гелий-неонового лазера для космических исследований.

Рис. 1. Схема уровней энергии вспомогательных и рабочих частиц газоразрядного лазера.

Лазер на красителях

Активная среда лазера на красителе состоит из раствора органического красителя. Когда краситель возбуждается внешним источником коротковолнового излучения, он излучает на более длинных волнах или флуоресцирует, поглощая фотон на длине волны возбуждения, а затем излучая фотон на длине волны флуоресценции. Разность энергии фотонов идет на безызлучательные переходы и в конечном счете переходит в тепло. Рис. 1.1. Спектр поглощения (1) и флуоресценции (2) типичного лазерного красителя

На рис. 1.1 приведены спектры поглощения и флуоресценции типичного лазерного красителя. Кривая флуоресценции, захватывающая желтую и большую часть красной области спектра, сдвинута в более длинноволновую область по отношению к кривой поглощения, занимающей голубой и зеленый участки спектра. Эта ситуация аналогична рассмотренной здесь при описании лазера на рубине: излучение лампы накачки лежит преимущественно в зеленой и голубой областях спектра, а кристалл рубина флуоресцирует в красной области. Существенное различие заключается в том, что краситель флуоресцирует в исключительно широком диапазоне частот видимой области спектра в противоположность очень узкой полосе флуоресценции типичного твердотельного лазера. Рис. 1.2. Диаграмма уровней для лазера на красителях. Синглет-триплетные переходы S1->T1 (интекомбинационные перходы 2) приводят к сильному поглощению лазерного излучения и срыву генерации за счет перехода T1?T2, ограничивающих выходную мощность (перходы 1).

Широкий спектр флуоресценции красителя можно объяснить с помощью приведенной на рис. 1.2 схемы энергетических уровней типичной молекулы красителя. Молекула красителя имеет две группы состояний: синглетные (S0, S1 и S2) и триплетные (T1 и Т2). (Синглетные состояния возникают, когда полный спин возбужденных электронов в молекуле равен нулю, а триплетные — когда спин равен единице.) Как мы уже отмечали при рассмотрении правил отбора и радиационных времен жизни, синглет-триплетные и триплетсинглетные переходы маловероятны по сравнению с синглет-синглетными и триплет-триплетными переходами. Накачка лазера на красителях происходит при поглощении фотонов, которые переводят молекулы из основного состояния S0 в первое возбужденное состояние S1. Затем происходит быстрый безызлучательный переход в наинизшие из уровней состояния S0. Стимулированное излучение возникает при переходе между уровнем, расположенным вблизи дна состояния S1, и некоторым промежуточным уровнем состояния. Так как состояния S0 и S1 содержат множество отдельных колебательно-вращательных подуровней, показанных на рисунке отдельными линиями, то возникающая линия излучения весьма широка. Триплетные состояния T1 и T2 не участвуют непосредственно в генерации излучения, тем не менее наличие их весьма существенно. Имеется некоторая малая вероятность того, что будет иметь место запрещенный переход S1->T1 (называемый интеркомбинационным переходом). Так как переход Т1->S0 (фосфоресценция) также является запрещенным, молекулы имеют тенденцию накапливаться в состоянии T1. Но переход T1->T2 является разрешенным, и, к сожалению, диапазон частот для этого перехода почти в точности равен диапазону рабочих частот лазера. Как только в результате переходов значительное число молекул накапливается в состоянии T1 поглощение на переходе T1->T2 быстро уменьшает коэффициент усиления и может сорвать генерацию. По этой причине некоторые лазеры на красителях работают в импульсном режиме при длительности импульса меньшей, чем та, которая требуется для достижения заметных значений населенности состояния T1. Для некоторых красителей может также иметь место поглощение, связанное с переходами в более высокие синглетные состояния (S1->S2), поэтому следует выбирать такие красители, у которых частоты этих переходов не лежат в интересующей исследователя спектральной области. Рис. 1.3. Выходная мощность некоторых распространенных лазерных красителей:

1 —карбостирил 165 (1,5 Вт, УФ);

8 — Na-флуоресцеии (4 Вт суммарного излучения);

2—кумарин 120 (1,5 Вт, УФ);

9— родамин 110 (4 Вт суммарного излучения);

3— кумарин 2 (1,8 Вт. УФ);

10— родамин 6G (4 Вт суммарного излучения);

4 — 7-диэтиламино-4-метилкумарин (1,35 Вт, УФ);

11— родамин 6G (2 Вт суммарного излучения);

5 — кумарин 102 (1,5Вт, УФ);

12— родамин В (4 Вт суммарного излучения);

6 — кумарин 7 (1,2 Вт, 4765 );

13—перхлорат крезила фиолетового (5 Вт суммарного излучения;

7—кумарин 6 (2,3 Вт, 488O );

14—перхлорат нильского голубого (0,75 Вт, 6471 ).

В скобках у наименования красителя указаны типичная мощность накачки излучением Аг+-лазера, необходимая для получения приведенных кривых перестройки и область спектра излучения. Использование различных красителей в качестве активных сред позволило осуществлять плавную перестройку рабочей частоты в широком диапазоне, охватывающем почти всю видимую область спектра (рис. 3). Из рисунка видно, что применение родамина 6G характерно для многих систем; это связано с его высоким КПД преобразования (примерно 20%) и широким спектральным диапазоном перестройки. Максимальная выходная мощность лазера на красителях зависит от используемого растворителя и качества юстировки оптического резонатора. Некоторые добавки, такие, как циклооктатетрен, могут слегка сдвигать полосу флуоресценции красителя и увеличивать мощность излучения.

Лазеры на парах металлов.

    На рис. 2 представлена общая схема участвующих в генерации энергетических уровней лазеров этого типа [11 - 14]. Переход g—>2 является разрешённым, а переход g—>1 электродипольно запрещён. Таким образом, пользуясь борцовским приближением, можно предположить, что сечение перехода g—>2 за счёт электронного удара значительно больше, чем сечение перехода g—>1. Чтобы создать достаточную населённость верхнего лазерного уровня, высокая, как правило, скорость излучательного перехода 2—>g должна быть уменьшена до значения, сравнимого со скоростью излучательного перехода 2—>1.     Это означает, что плотность атомов должна быть достаточно высокой, чтобы стал возможным захват излучения на переходе 2—>g. Поскольку переход 1—>g является запрещённым, лазер может работать только в импульсном режиме с длительностью импульса порядка или короче времени жизни уровня 2. Релаксация обычно происходит при столкновениях со стенками и вследствии межатомной дезактивации. Соответствующая скорость релаксации устанавливает верхний предел частоты повторения импульсов лазера.

Рис.2 . Общая схема энергетических уровней и излучательных (прямая стрелка) и безизлучательных (волнистая стрелка) переходов лазера на парах металла, работающего в режиме самоограничения, заштрихованной стрелкой обозначен электронный удар.

    На рис.3 показаны участвующие в процессе генерации уровни энергии двух наиболее важных лазеров указанной категории - лазеры на парах меди и золота. С точки зрения электронной конфигурации уровни Cu и Au весьма схожи. Поэтому в дальнейшем будет рассмотрен только атом меди. Основное состояние 2S1/2 атома меди соответствует конфигурации 3d104s. Когда внешний 4s электрон забрасывается на следующий, более высокий 4р-уровень, заселяются возбуждённые уровни 2P1/2 и 2P3/2. Эти уровни сильно связаны с основным состоянием дипольно разрешённым переходом. Уровни 2D3/2 и 2D5/2 соответвуют конфигурации Зd94s2, имеющей более низкую энергию, а переходы 2D—>2S1/2 дипольно запрещены. Атомы меди из состояния 2р быстро (время жизни порядка 7нс) релаксируют посредством спонтанного излучения в основное состояние 2S1/2, в то время как время релаксации уровней 2D намного больше (около 0,5мкс), поскольку этот переход разрешён слабо. Однако при температурах, которые используются в медном (Т = 1500°С) и золотом (Т = 1650°С, т.к. золото является менее тягучим веществом) лазерах, давление паров достаточно высокое( ~ 0,1 мм.рт.ст.), так что вследствие захвата излучения релаксации по каналу 2p—> 2S1/2 не происходит. Таким образом, единственный эффективный канал релаксации проходит через состояние 2D. Релаксация населённости уровня 2D осуществляется посредством дезактивации на стенках, если внутренний диаметр трубки невелик (<2см). Для трубок больших размеров было показано, что важную роль играет сверхупругое столкновение е + Cu(2D)—>e + Cu(2s1/2). В обоих случаях соответствующее время релаксации очень большое (несколько десятков микросекунд). Отсюда следует, что генерация на парах меди может осуществляться как на переходе 2P3/2—> 2D5/2 (зелёный), так и на 2P1/2—>2D3/2 (жёлтый). Генерация в парах золота происходит в основном на красном переходе (2P1/2—>2D3/2) поскольку УФ - переход (2P3/2—> 2D5/2) оканчивается на состоянии 2D5/2, которое при рабочей температуре в значительной степени заселено.

Полупроводниковый лазер.

Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла (см. Твёрдое тело). В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. — малые размеры и компактность (объём кристалла ~10^-6—10^-2см³). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 10⁴ см^-1 (см. Усиления оптического показатель), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10⁹ Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Люминесценция в полупроводниках. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла — состояние с инверсией населённостей.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны l » hc/DE, где h — Планка постоянная, с — скорость света.

Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна E_c заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка E_u. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше ¹/₂ от состояний с вероятностью заполнения меньше ¹/₂. Если hn (где n — частота излучения) выражается формулой:

hn.

Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.

В П. л. применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через р—n-переход (см. Электронно-дырочный переход), гетеропереход или контакт металл — полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили П. л. первых двух типов.

Инжекционные лазеры. Лазер на р—n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р—n-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20—40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см², а при пониженной температуре ~ 10²A/см2, рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 4). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р—n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р—р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в П. л. На р—n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у П. л. на р—n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

П. л. инжекционного типа (рис. 5) работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм) и около 10 мвт (Pb_xSn_1-xTe) в средней ИК области (l = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров — слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

П. л. с электронной накачкой. При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ 10³—10⁶ эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W/3DE. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность П. л. достигает 10⁶ вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 6). П. л. с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу (рис. 7). Техническое достоинство П. л. с электронной накачкой — возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~¹/₃); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE, а испускается фотон с энергией ~DE

Полупроводниковые лазерные материалы. В П. л. используются главным образом бинарные соединения типа А³В⁵, А²В⁶, А⁴В⁶ и их смеси — твёрдые растворы (см. табл.). Все они — прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П. л., например др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина DE зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить П. л. на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.

Применение П. л.: 1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография), 4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение (рис. 8).

Полупроводниковые лазеры (Э — накачка электронным пучком; О — оптическая накачка; И — инжекционные лазеры; П — накачка пробоем в электрическом поле)

Полупроводник

Длина волны излучения, мкм

Максимальная рабочая температура, К

Способ накачки

ZnS

ZnO

Zn_1-xCd_xS

ZnSe

CdS

ZnTe

CdS_1-xSe_x

CdSe

CdTe

0,32

0,37

0,32—0,49

0,46

0,49—0,53

0,53

0,49—0,68

0,68—0,69

0,79

77

77

77

77

300

77

77

77

77

Э

Э

Э

Э

Э, О, П

Э

Э, О

Э, О

Э

GaSe

GaAs_1-xP_x

Al_xGa_1-xAs

In_xGa_1-xP

GaAs

lnP

In_xGa_1-xAs

InP_1-xAs_x

InAs

InSb

0.59

0,62—0,9

0,62—0,9

0,60—0,91

0,83—0,90

0,90—0,91

0,85—3,1

0,90—3,1

3,1—3,2

5,1—5,3

77

300

300

77

450

77

300

77

77

100

Э, О

Э, О, И

О, И

О, И

Э, О, И, П

О, И, П

О, И

О, И

Э, О, И

Э, О, И

Рис. 8. Схема проекционного лазерного телевизора: 1 — электронная пушка; 2 — фокусирующая и отклоняющая система; 3 — полупроводниковый кристалл — резонатор; 4 — объектив; 5 — экран.

Рис. 6. Схематическое изображение полупроводниковых лазеров с электронной накачкой: а — поперечной, б — продольной.

Рис. 7. Полупроводниковый лазер с электронной накачкой в отпаянной вакуумной трубке.

Рис. 2. Инжекционный лазер на р-n-переходе.

Рис. 3. Схема энергетических зон в р-n-переходе: а — при отсутствии тока; б — при сильном прямом токе; носители диффундируют в области, прилегающие к переходу, образуя с основными носителями избыточные электронно-дырочные пары.

Рис. 4. а — лазер на гетеропереходе (двусторонняя гетероструктура), б — его энергетическая схема.

Рис. 1. Энергетические схемы: а — накачки и излучательной рекомбинации в полупроводнике; б — оптического усиления при наличии инверсии населённостей состояний вблизи краев зон — дна Е_с зоны проводимости и потолка Е_n валентной зоны; DЕ — ширина запрещенной зоны, и — квазиуровни Ферми для электронов проводимости и дырок.

Рис. 5. Образцы инжекционных лазеров.

Рис. 3. Уровни энергии атомов меди и золота, участвующие в лазерной генерации.

    Лазеры на парах меди работают со средней выходной мощностью до 40 Вт в импульсно периодическом режиме с длительностью импульса порядка 20 нс и с частотой повторения импульсов до 20 кГц. На сегодняшний день они являются самыми эффективными (КПД ~ 1%) лазерными источниками в зелёной области спектра. Этот относительно большой КПД связан с высокой квантовой эффективностью медного лазера ~ 55%, так и с большим сечением перехода 2р—> 2s1/2 при электронном ударе. Нами использовался малогабаритный лазер на парах меди с воздушным охлаждением типа "Фемта". Ниже приводятся некоторые технические параметры данного лазера.

Частота повторения импульсов

от 8 кГц до 12 кГц

Средняя мощность излучения не менее

2 Вт

Длительность импульсов генерации

15 нс

Пиковая мощность излучения

50 кВт

Диаметр лазерного пучка

12 мм

Энергетическая расходимость пучка лазерного излучения

0,5 мрад

Ресурс лазерной трубки

1000 час

Габаритные размеры

блока питания

500х500х300 мм

излучателя

825х180х300 мм

Вес

блока питания

35 кг

излучателя

15 кг

Конструктивно лазер состоит из излучателя и блока питания соединенных кабелем. Излучатель состоит из корпуса, внутри которого на направляющих размещены оптический резонатор и активный элемент лазера на парах меди (трубка "Кулон", изготовитель НПО "ИСТОК"). Оптический резонатор излучателя - неустойчивый телескопического типа (заднее зеркало - сферическое, R = 1,4 м; выходное - сферическое R = 0,5 м), или устойчивый с плоскими зеркалами. Зеркала помещены в юстируемые оправы. Активный элемент представляет собой керамическую трубку со встроенными электродами, генераторами меди и окнами для выхода излучения на торцах, заполненную буферным газом. Нагрев разрядного канала с генераторами меди производится от источника питания импульсами амплитудой 10 кВ и длительностью 150 - 200 нс. По мере прогрева трубки давление паров меди в канале увеличивается. Оптимальное давление паров меди, соответствующее наибольшей мощности генерации лазера, достигается при температуре канала около 1600°С. Для принудительного воздушного охлаждения активного элемента и деталей резонатора в корпусе излучателя также размещен вентилятор.

Лазер на свободных электронах.

В настоящее время интенсивно развивается релятивистская электроника Значительное место в ней занимают устройства, которые называются Лазерами на Свободных Электронах (ЛСЭ) (1, 2,). Их принцип основан на том, что движущаяся заряженная частица (ДЗЧ) приводится в колебательное движение поперек направления своего движения. При этом возникает излучение в малом телесном угле вперед по направлению движения ДЗЧ. Это излучение зависит от продольной скорости ДЗЧ, и шага ондулятора (см. ниже). Оно может быть когерентным, что и дало название ЛСЭ. Для того, чтобы частица имела поперечные колебания, применяется система называемая ондулятором. По принципу воздействия на ДЗЧ ондуляторы делятся на электростатические и магнитные. Здесь рассматривается магнитная система (Рис. 1).

Рис. 1

Недостатком существующих ондуляторов является то, что для создания необходимого магнитного поля (МП) используются постоянные электромагниты с сердечником. Это конструктивно ограничивает шаг ондулятора - Lонд ( период изменения МП в системе). Для создания интенсивного пучка ДЗЧ и увеличения выходной мощности ЛСЭ, может быть применена многоканальная схема со сложением отдельных пучков (Рис. 2)

Рис. 2

На Рис.2 показаны: 1. Первичные пучки ДЗЧ. 2. Рассеивающая магнитная линза. 3. Суммарный пучок ДЗЧ. 4. Ондулятор. 5. Выходное излучение. Особенностями данной схемы являются: 1. Применение для сборки пучков универсальной магнитной линзы в рассеивающем режиме, что уменьшает апертуру суммарного пучка ДЗЧ. 2. Применение магнитного ондулятора со сверхмалым, регулируемым периодом, что позволяет значительно повысить частоту выходного излучения. При увеличении энергии излучаемого кванта до 80MeV, становится возможной фотоядерная реакция: ₈₃Bi²⁰⁹+80MeV®₇₉Au¹⁹⁷+2₂He⁴+4₀n¹. Появляется возможность фотоядерного разложения радиоактивных и обычных материалов.

Источником ДЗЧ могут быть электронные и ионные пушки, радиоактивные источники высокой интенсивности (Co, Sr …), космические лучи и солнечный ветер, ТРЕГ (Рис.3).

Рис. 3

На Рис.3 показаны: 1. Секционированная тороидальная катушка с током I (могут быть использованы обмотки электродвигателей различного типа, мощности и назначения); 2. Тороидальное плазменное образование с ДЗЧ (увеличено); оно может быть инициировано путем электрического рагряда в парах H₂O, CH₄, NH₃ и других водородосодержащих веществ. 3. МП, исполняющее роль ондулятора. 4. Свободный электрон, образовавшийся при ионизации нейтральной частицы. 5. Выходное излучение. Пунктиром показаны дополнительные управляющие слаботочные обмотки . Они используются для создания слабого МП, которое однонаправлено с основным МП и вращается путем последовательного цикличного переключения обмоток. Это МП - для динамического выравнивания возможных технологических неоднородностей основного МП. Естественно, что будут реализовываться и обычные механизмы лазерного излучения, так как плазма в устройстве будет состоять из возбужденных ионов легких элементов и их изотопов.

Применение лазеров

ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Лазерная спектроскопия, раздел оптич. спектроскопии, изучающий полученные с помощью лазера спектры испускания, поглощения, рассеяния. Л. с. позволяет исследовать в-ва на атомно-мол. уровне с высокой чувствительностью, избирательностью, спектральным и временным разрешением. В зависимости от типа взаимод. света с исследуемым в-вом, методы Л. с. подразделяют на линейные, основанные на одноквантовом линейном взаимод., и нелинейные, основанные на нелинейном одноквантовом или многоквантовом взаимодействии. В спектральных приборах используют лазеры с перестраиваемой частотой - от далекой ИК области до вакуумного УФ, что обеспечивает возбуждение почти любых квантовых переходов атомов и молекул. Перестраиваемые лазеры с узкой полосой излучения, в частности, инжекц. лазеры в ИК области и лазеры на красителях в видимой области (а в сочетании с нелинейным преобразованием частоты - в ближней УФ и ближней ИК областях) дают возможность измерять истинную форму спектра поглощения образца без к.-л. влияния спектрального инструмента. Использование перестраиваемых лазеров повышает чувствительность всех известных методов спектроскопии (абсорбционных, флуоресценции и т.д.) как для атомов, так и для молекул. На основе таких лазеров были разработаны принципиально новые высокочувствит. методы: внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, когерентного антистоксова комбинац. рассеяния (см. Комбинационного рассеяния спектроскопия), резонансной фотоионизационной Л. с. Последний метод основан на резонансном возбуждении частицы импульсным лазерным излучением, частота к-рого точно настроена на частоту резонансного перехода, и последующей ионизации возбужденной частицы путем поглощения одного или неск. фотонов из дополнит. лазерного импульса. При достаточной интенсивности лазерных импульсов эффективность резонансной фотоионизации близка к 100%, такова же эффективность регистрации иона электронным умножителем. Это обеспечивает высокую чувствительность метода и возможность детектирования следов элементов в образцах на уровне 10^-10-10^-12% в обычных экспериментах, а в специальных - на уровне одиночных частиц. Высокая интенсивность излучения позволяет осуществлять нелинейное взаимод. света с атомами и молекулами, за счет чего значит. часть частиц м. б. переведена в возбужденное состояние, а также становятся вероятными запрещенные одноквантовые и многоквантовые резонансные переходы между уровнями атомов и молекул, ненаблюдаемые при слабой интенсивности света. Короткая (управляемая) длительность излучения позволяет возбуждать высоколежащие уровни энергии за времена короче времени релаксации любого квантового состояния. С использованием лазеров ультракоротких (пикосекундных и фемтосекундных) импульсов разработаны методы спектроскопии с временным разрешением до 10^-14 с. Эти методы обеспечивают излучение первичных фотофиз. и фотохим. процессов с участием возбужденных молекул, исследование короткоживущих частиц (радикалов, комплексов и т.д.). Высокая монохроматичность лазерного излучения обеспечивает измерение спектров с почти любым необходимым спектральным разрешением и, кроме того, позволяет избирательно возбуждать атомы и молекулы одного вида в смеси, оставляя молекулы др. видов невозбужденными, что особенно важно для аналит. применений. С помощью импульсов направленного лазерного излучения можно исследовать спектры флуоресценции и рассеяния в удаленной области, напр. в верх. атмосфере, и получать информацию о ее составе. Этот принцип используется в методах дистанц. лазерной спектроскопии, разрабатываемых для контроля окружающей среды. При фокусировке лазерного света на малую площадь с размерами (в пределе) порядка длины Световой волны можно получить большие интенсивности, обеспечивающие быстрый нагрев и испарение локальной области. Это св-во лазера легло в основу микроспектрального эмиссионного анализа атомов и локального масс-спектрального анализа молекул. С точки зрения путей релаксации энергии возбужденных частиц и, соотв., методов детектирования, различают след. методы Л. с.: 1) абсорбционно-трансмиссионные, основанные на измерении спектра пропускания образца (нечувствительны к судьбе возбужденных частиц); 2) опто-калориметрич. (опто-термич., опто-акустич. и т.д.), основанные на непосредственном измерении поглощенной в образце энергии; при этом необходима релаксация части энергии возбуждения в тепло (безызлучат. релаксация); 3) флуоресцентный, основанный на измерении интенсивности флуоресценции как ф-ции длины волны возбуждающего лазера (излучат, релаксация); 4) опто-гальванич., в к-ром возбуждение частиц регистрируют по изменению проводимости, и фотоионизационные - по появлению заряженных частиц. Приборы, применяемые в Л. с., принципиально отличаются от обычных спектральных приборов. В приборах, использующих лазеры с перестраиваемой частотой, отпадает необходимость в разложении излучения в спектр с помощью диспергирующих элементов (призм, дифракц. решеток), являющихся осн. частью обычных спектральных приборов. Иногда в Л. с. применяют приборы, в к-рых излучение разлагается в спектр с помощью нелинейных кристаллов. Л. с. применяют для исследования кинетики и механизма р-ции (в т. ч. фотохим.), точного измерения мол. постоянных (напр., моментов инерции), избират. определения ультрамалых кол-в в-ва и т.д. Спектры многоступенчатого лазерного возбуждения обладают большей избирательностью, чем обычные спектры поглощения, хорошо комбинируются с хроматографией, масс-спектрометрией и т.д.

Флуоресцентная спектроскопия

Вообще говоря, люминесценцией называется процесс испускания электромагнитного излучения веществом после того, как вещество поглотило энергию источника света. Люминесценция называется флуоресценцией, если временная задержка между возбуждением и излучением порядка 10 нс. Лазерно индуцированная флуоресценция может быть использована в большом количестве приложений, включая качественные и количественные измерения концентрации молекул в образцах, и создание диаграмм энергетических уровней.

Изучение флуоресценции обычно производится при помощи перестраиваемых лазеров непрерывного излучения. Перестраиваемость лазеров на красителях или лазеров на титан-сапфире с удвоением частоты расширяет экспериментальные возможности изучения непрерывной флуоресценции. Для изучения широкополосной флуоресценции в твердых и жидких образцах обычно удобны ширины линий от2 до 400 ГГц

ДЛя изучения флуоресценции в полупроводниках, полимерах и т.п. хорошо подходят такие непрерывные перестраиваемые системы как модель 599 (лазер на красителях со стоячей волной), модель 890 (титан-сапфировый лазер), модель 899-LC (титан-сапфировый лазер) и широкополосный кольцевой лазер модели 899-01 (доступен на титан-сапфире и на красителях).

Для экспериментов по флуоресцентной спектроскопии в газовой фазе наиболее важным параметром является ширина линии. Для надежных исследований с высоким разрешением, которые требуют ширины линии меньше 10 МГц при высокой выходной мощности, Coherent разработал 899 серию кольцевых лазеров, работающих на красителях и титан-сапфире.

Такие модели, как 899-05, 899-21, 899-29 и MBR-110 могут надежно работать в течении длительных периодов времени с шириной линии до 100 кГц. Кольцевые лазеры серии 899 в сочетании с удвоителем частоты способны покрывать спектральный диапазон от 225 нм до 1 микрона.

Важным вкладом в развитие флуоресцентной спектроскопии явилась разработка ультрабыстрых лазеров, способных производить пикосекундные и фемтосекундные импульсы для флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением. Такие лазеры как Mira Optima 900 позволили производить возбуждение вещества за время, много меньшее времени жизни возбужденного состояния.

Молекулярная спектроскопия

Основная цель молекулярной спектроскопии - это определение уровней энергии молекулы и вероятностей переходов. До изобретения лазеров, селективное возбуждение одноатомных уровней производилось излучением атомных резонансных линий в лампах с полым катодом. В этом случае, только совпадения между атомными резонансными линиями и молекулярными переходами могли использоваться. Молекулярные лампы излучали большое количество линий и были неэффективны для селективного возбуждения.

Узкополосные кольцевые лазеры серии 899 могут быть настроены на любой молекулярный (и атомный) переход в пределах их диапазона перестройки. Селективное возбуждение может быть осуществлено только если соседние линии поглощения не перекрываются в пределах их допплеровской ширины. В атомной спектроскопии это условие обычно легко достижимо. В молекулярной спектроскопии, гораздо более сложные спектры поглощения приводят к перекрытию линий, и лазер может возбудить несколько линий. Чтобы избежать этого, используется "бездопплеровская" спектроскопия, позволяющая возбуждать отдельные линии. Для наиболее высокого разрешения подходят кольцевые лазеры серии 899, в том числе 899-05 (пассивно-стабилизированный, сканирующий одночастотный кольцевой лазер), 899-21 (активно-стабилизированный, сканирующий одночастотный кольцевой лазер) и система 899-29 Autoscan II. Эти системы работают как на красителях, так и на титан-сапфире, с целью максимального расширения диапазона перестройки. Кроме того, эти системы могут сканироваться. Лазеры 899-05 и 899-21 обладают диапазонами сканирования до 20-30 ГГц, тогда как система 899-29 Autoscan II сканируется по всему диапазону перестройки. Одночастотный титан-сапфировый лазер MBR-110 обладает уникальной системой стабилизации, которая позволяет достичь исключительно узкой линии излучения при широких диапазонах перестройки с сканирования.

Рамановская спектроскопия

Рамановское или вынужденное комбинационное рассеяние - это одна из наиболее эффективных методик вибрационной спектроскопии для исследования твердых, жидких и газообразных образцов. Комбинационное рассеяние возникает при облучении образца. когда небольшая часть рассеянного излучения испытывает сдвиги по частоте, соответствующие колебательным переходам в образце.

Рамановские сигналы гораздо слабее, чем падающее излучение, и их трудно измерить. Если лазерный источник настроен на электронный переход в образце, резонансные эффекты усиливают рамановское рассеяние на несколько порядков. Резонансная рамановская спектроскопия очень эффективна для таких приложений, как качественный анализ и определение молекулярной структуры образцов, обладающих электронными переходами в видимом диапазоне спектра.

Наиболее распространенный лазерный источник - это лазер на красителях, поскольку стандартный набор красителей обычно покрывает диапазон от 375 до 1050 нм. Для широкополосных приложений, таких как резонансная рамановская спектроскопия, лазер с линейным резонатором модели 599 обеспечивает удачную комбинацию надежности и простоты в обращении с широким диапазоном перестройки, высокой выходной мощностью и пространственной модой TEM 00 . Ионные лазеры Innova 300C и Innova Sabre на аргоне и криптоне также хорошо подходят для рамановских экспериментов в видимом диапазоне спектра.

Титанат сапфира (Ti:S) хорошо подходит для экспериментов по рамановской спектроскопии там, где требуется большая длина волны возбуждения, из-за возникновения флуоресценции в видимом диапазоне. Активная среда на основе титан-сапфира популярна по нескольким причинам - широкий диапазон перестройки, высокий коэффициент преобразования и возможность работы как в непрерывном режиме, так и в режиме синхронизации мод. Модель 890 является титан-сапфировым лазером непрерывного излучения, который перестраивается в диапазоне от 690 нм до 1000 нм. Для работы в режиме синхронизации мод в том же спектральном диапазоне, фирма Coherent предлагает пикосекундный осциллятор Mira Optima 900 P.

Ультрафиолетовая (УФ) резонансная рамановская спектроскопия - эффективный инструмент для изучения молекулярной структуры, кинетики и динамики возбужденных состояний. Особенно много приложений она находит в области исследования биологических систем. Лазер Azure, непрерывный источник излучения на четвертой гармонике Nd:YAG (266 нм) полезен для развивающихся новых приложений, требующих стабильного и мощного УФ излучения. Другие непрерывные источники УФ диапазона включают лазеры на ионах аргона серии Innova с удвоением частоты. Импульсные лазеры с высокой пиковой мощностью позволяют легко достигнуть УФ диапазона путем эффективной генерации гармоник. Недавно разработанные перестраиваемые источники УФ-диапазона также используются в экспериментах, где мощность Nd:YAG лазеров оказывается слишком высокой. Гармоники пикосекундного лазера на титан-сапфире с синхронизацией мод Mira Optima 900 P могут быть использованы для проведения подобных экспериментов в области резонансной рамановской спектроскопии.

Для возбуждения на фиксированной длине волны при помощи непрерывного излучения, Coherent предлагает широкий выбор лазеров в голубой (Sapphire™), зеленой (Compass 215/315/415) и инфракрасной (Compass 1064) области спектра.

Ультрабыстрая спектроскопия

Обычно, под термином ультрабыстрая спектроскопия подразумеваются эксперименты типа pump-probe (накачка-зондаж) с использованием пикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов для получения спектральной информации с временным разрешением.

Традиционно, ультрабыстрая спектроскопия была ограничена исследованиями газовой фазы, когда молекулы могут рассматриваться как изолированные. По этой причине, в газах легче определить спектральные особенности и механизмы передачи энергии, чем в конденсированных средах. Эти эксперименты привели к колоссальному увеличению знаний о реакциях в газовой фазе, и возникновению квантового контроля над этими реакциями. После разработки надежных твердотельных ультрабыстрых лазеров свыше 10 лет назад, ультрабыстрая спектроскопия больше не ограничена газовой фазой. Возможность выбора длительности импульса, длины волны и возможность усиления выходного излучения титан-сапфира обеспечивает рост числа приложений, связанных с конденсированными средами.

Спектроскопия одиночных фотонов

Спектроскопия одиночных фотонов - это метод детектирования флуоресцентных времен жизни в временном диапазоне от пикосекунд до микросекунд. Этот метод также называют времякоррелированным счетом одиночных фотонов. Обычно при этом образец вещества возбуждается ультрабыстрым лазером с частотой повторения импульсов порядка 100 кГц. Спектральное распределение излучения обычно покрывает ИК, видимый и УФ диапазоны. Особенно важно исследование красителей, которые флуоресцируют в голубой, зеленой и красной частях спектра, хотя в последнее время становится популярным исследование флуоресценции в диапазоне свыше 700 нм.

В качестве источника возбуждения часто используется титан-сапфировый лазер с синхронизацией мод и высокой частотой повторения импульсов. Информация о флуоресцентных временах жизни записывается обычно в виде логарифмической кривой, и для измерений с временным разрешением в области ближнего ИК, фемтосекундные и пикосекундные лазеры представляют собой отличный источник для возбуждения, даже несмотря на их высокую частоту повторения. Лазер Mira Optima 900 с накачкой твердотельным лазером Verdi может использоваться в подобных экспериментах как в пико-, так и в фемтосекундной версии. Для приложений требующих более низкой частоты, порядка 100 кГц вместо 76 МГц, фемтосекундный осциллятор Mira Optima 900-F может быть соединен с регенеративным усилителем RegA 9000-9050, что позволяет достичь энергий в импульсе в несколько микроджоулей при частоте повторения от 10 кГц до 300 кГц. В качестве альтернативы, выход из Mira Optima 900 может быть присоединен к акустооптическому модулятору Pulse Picker 9200, обеспечивающему выбор частот повторения от 9.5 кГц до 4.75 МГц. Спектральный диапазон перестройки системы Mira также может быть расширен путем использования генератора второй и третьей гармоник Harmonic Generator 9300.

Измерение расстояния до Луны

Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.

Фотохимия

Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико- и фемтосекундами (10^-12 — 10^-15 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков.

Лазерное намагничивание

Сверхкороткие лазерные импульсы используются для сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее время предметом интенсивных исследований. Уже открыто множество оптико-магнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за 200 фемтосекунд (2*10^-13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света.

Лазерное охлаждение

Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел -- наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безизлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходи с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.

Голография

Голография - это процесс записи трехмерного изображения на высококонтрастной мелкозернистой фотопленке. В отличие от фотографии, голограмму можно рассматривать под разными углами. Также, в отличие от фотографии, на пленке фиксируется не сам обьект, а его дифракционная картина, что достигается интерференцией двух сфазированных световых волн. При этом объект должен освещаться источником когерентного излучения, таким как лазер.

Качество голограммы зависит от множества факторов, включая время экспозиции, ширину линии излучения, стабильность частоты и мощности и угловую стабильность. Уменьшение времени экспозиции обычно желательно для минимизации внешних влияний (например, вибрации). Обычно это достигается увеличением мощности. Узкая линия излучения (большая длина когерентности) необходима при больших разницах оптического пути. Изменения частоты в процессе экспозиции сдвигают интерференционную картину и размывают голограмму

Твердотельные лазеры идеально подходят для большинства голографических применений. Они могут развивать высокую мощность (модели от 10 мВт до 18 Вт) и обладают большой длиной когерентности (60-100 м). Их также отличает высокая стабильность как в отношении частоты, так и в отношении мощности и углового направления луча. В голубой области спектра твердотельный лазер выдает одночастотное излучение.

Голография также используется как инструмент в производстве медицинских, оптических и полупроводниковых устройств.

Лазерная локация и зондаж атмосферы

Лидар (сокращение от слов LI ght D etection A nd R anging) работает на тех же принципах, что и радар. Это инструмент, который направляет лазерное излучение на мишень, с которой оно взаимодействует. Часть излучения отражается и рассеивается назад, улавливается и анализируется. Изменение свойств излучения позволяет определять некоторые свойства мишени. Время, затраченное светом на путь до мишени и обратно позволяет определить расстояние до мишени.

Существует три основных типа лидаров:

Дальномеры

DIAL (измерители дифференциального поглощения)

Допплеровские лидары

Дальномеры позволяют определять расстояние до обьекта.

Differential Absorption LIDAR (DIAL) используются для определения концентраций химических веществ (например, озона, водяного пара, различных загрязнений) в атмосфере. Измеритель дифференциального поглощения использует две длины волны, выбранные таким образом, что одна из них сильно поглощается исследуемой молекулой, а другая нет. Разница в интенсивности отраженных сигналов позволяет определить концентрацию молекул в воздухе.

Допплеровский лидар измеряет скорость мишени путем определения допплеровского сдвига длины волны излучения. Мишенью в этом случае может служить как твердый предмет, так и атмосферная пыль и аэрозоль, что позволяет производить дистанционные измерения скорости ветра в разных слоях атмосферы.

Микроэлектроника

Развитие и прогресс в производстве микроэлектроники за последние два десятилетия полностью перевернули нашу повседневную жизнь, превратив компьютер из редкого, дорогостоящего и громоздкого прибора в повсеместно распространенный и востребованный инструмент. Все большее количество бытовой техники оснащается управляющими микропроцессорами и превращается в "умные" устройства. Микроэлектронная промышленность немыслима без применения лазерных технологий. Помимо фотолитографии - ключевого процесса при производстве полупроводниковых микросхем, и лазерного тестирования качества микроустройств, лазерная обработка позволяет добиться сверхкомпактной упаковки элементов на печатных платах.

Литография

Скорость прогресса в оптической литографии потрясает. Еще двадцать лет назад считалось, что она исчерпает свой потенциал при размерах детали 0.75 мкм. Развитие дизайна оптических линз, оптических материалов и технологий производства, а также резкое уменьшение рабочей длины волны позволяет в наше время использовать 0.18 мкм технологию с перспективами дальнейшего уменьшения размеров особенностей. Каждое уменьшение особенностей вдвое, повышает плотность элементов цепи в четыре раза. Большая плотность, в сочетании с более совершенным дизайном процессора и растущим его размером приводит к бурному росту производительности. До тех пор, пока соотношение производительность/цена растет, потребители и корпорации будут инвестировать в развитие компьютерных технологий.

Запоминающие устройства большого объема (DRAM) и растущие тактовые частоты микропроцессоров требуют уменьшения размеров деталей цепи, и, следовательно более высокого разрешения на стадии литографии. Это требует ультрафиолетового излучения: во-первых, более легко сделать УФ-чувствительный фоторезист, и во-вторых, чем короче длина волны, тем лучше разрешение. До сих пор, рекорд в области коротких длин волн принадлежит эксимерным лазерам , но малая долговечность и сложность работы с прокачиваемой газовой смесью (зачастую токсичной) делают во многих случаях предпочтительными либо ионные лазеры с удвоением частоты, либо лазеры на четвертой гармонике Nd:YAG, которые лишь немного уступают эксимерным по длине волны. Многообещающим является также недавний прогресс в развитии лазеров на четвертой гармонике титан-сапфира (193 нм), который обещает перенести все преимущества твердотельных лазеров в область длин волн менее 200 нм

Тестирование качества микросхем

Резкая миниатюризация электрических и оптоэлектрических цепей привела к резкому увеличению потребности в лазерном тестировании. Лазер идеально приспособлен для прецизионных исследований из-за его высокого разрешения и большого числа доступных длин волн. Для контроля качества микроскопических деталей полупроводниковых микросхем и определения наличия и местоположения дефектов и загрязнений используются методики, основанные на рассеянии, поглощении и ультразвуковом воздействии. Твердотельные лазеры непрерывного излучения Compass, Verdi, Sapphire, Azure перекрывают диапазон длин волн от 266 до 532 нм, с применением методик поглощения и рассеяния, тогда как фемтосекундный лазер Vitesse используется в ультразвуковых методиках.

Микрообработка печатных плат

Миниатюризация одних только микросхем не способна обеспечить уменьшения размеров приборов, поскольку каждая микросхема и микропроцессор имеет соответствующие внешние электрические цепи, обычно расположенные на печатных платах. Только радикальное уменьшение размеров печатных плат и плотности упаковки элементов в них позволило создать такие устройства, как, например, мобильный телефон. Обработка печатных плат включает в себя, как правило, сверление микроотверстий (30-70 мкм в диаметре), селективное удаление проводящего слоя на определенных поверхностях, микроподстройку резисторов и конденсаторов путем селективного удаления рабочего вещества. Для этих целей идеальными являются импульсные лазеры ультрафиолетового диапазона (на третьей и четвертой гармониках Nd:YAG) с хорошим модовым качеством луча. Высокая пиковая мощность позволяет эффективно удалять вещество, а малая длина волны - фокусировать излучение в пятно малых размеров. Более экономичным решением, когда не требуется экстремально малых размеров деталей являются зеленые импульсные лазеры (вторая гармоника Nd:YAG)

Тестирование интерферометрической оптики

Импульсные ультрафиолетовые лазеры высокой мощности используются во многих областях, связанных с обработкой материалов. Некоторые из этих областей, такие как фотолитография в производстве микросхем, требуют очень высоких энергий импульса и бездефектной, мало поглощающей ультрафиолетовой оптики, изготовленной с предельно малыми допусками и отклонениями. К сожалению, такую оптику крайне сложно тестировать с помощью импульсных лазеров. Ионный лазер Innova 300 FreD является источником маломощного непрерывного УФ излучения, который может без повреждений тестировать эти компоненты, до того, как они подвергнутся мощным импульсам излучения. Линия 248 нм в излучении FreD соответствует рабочей линии эксимерного лазера на KrF. Линия 266 нм в излучении твердотельного лазера Azure соответствует четвертой гармонике импульсного Nd:YAG лазера.

Запись и хранение оптической информации

Наблюдается большая активность в области разработки методов записи и хранения оптической информации. Различные исследовательские группы во всем мире разрабатывают новые материалы для записи, в то время как многие компьютерные компании исследуют методы увеличения емкости подобных систем. Многие типы оптических дисков используют диодные лазеры на 780 нм. Эти диоды компактны, надежны и недороги, но они накладывают ограничение на плотность записи информации из-за ограничений на минимальный размер пятна фокусировки (Примечание: многие другие факторы также влияют на объем памяти).

Переход к лазерам видимого диапазона мог бы преодолеть это ограничение. Твердотельные лазеры обеспечивают требуемое качество луча, но их текущий размер и стоимость не удовлетворяют требованиям рынка настольных компьютеров

Накачка титан-сапфира

Хотя использование лазеров для накачки титаната сапфира не является самостоятельной задачей, а всего лишь одним из промежуточных этапов в создании источников излучения, этот этап настолько критичен, что мы выделили его в специальный раздел.

Кристалл титан-сапфира обладает огромной шириной полосы усиления, примерно от 700 до 1000 нм, что обуславливает его выбор в качестве рабочей среды для перестраиваемых лазеров и лазеров с синхронизацией мод (ультрабыстрых) . Поскольку лазерное излучение в таких источниках - процесс по своей сути нелинейный, оно крайне чувствительно ко всем видам шумов и нестабильностей излучения накачки, как в отношении мощности, так и в отношении пространственного распределения. Поэтому идеальными для данного применения являются твердотельные лазеры с их врожденной стабильностью, в особенности одночастотный лазер Verdi, которому принадлежит рекордно низкий уровень шумов при мощностях до 18 Вт. Накачка лазером Verdi является одной из причин высокой стабильности титан-сапфировых лазеров фирмы Coherent и их надежной работы во всей полосе перестройки. Для импульсной накачки титан-сапфира отлично зарекомендовал себя Nd:YLF лазер Evolution

Обработка материалов

Способность лазера концентрировать излучение высокой мощности в пятне малого размера делает его хорошим инструментом для обработки практически любых материалов. Разные способы обработки предъявляют разные требования к свойствам лазерного излучения - некоторые требуют высокой средней мощности (резка и сварка металлов), некоторые - малой длины волны (микролитография), некоторые - малой длительности импульса при высокой пиковой мощности (гравировка и маркировка).На этой странице приводится краткий обзор основных способов обработки материалов, с указанием типов лазеров, оптимальных для каждого случая.

Лазерная маркировка и гравировка

Существует два основных типа лазерной маркировки материалов: матричная и векторная. В первом случае используется излучение нескольких лазеров (или одного, но разделенное на несколько лучей) для формирования точечного изображения по одной оси. Развертка вдоль другой оси обеспечивается поступательным движением обрабатываемого материала. Этот способ позволяет достичь высокой скорости обработки, но за счет невысокого качества изображения. Он постепенно вытесняется векторной маркировкой - когда используется только один лазер, луч которого отклоняется системой зеркал на гальвоподвеске. Этот способ позволяет достичь высочайшего качества изображения.

Для целей маркировки и гравировки в основном используются два типа лазеров - CO₂ и твердотельные, каждый из которых обладает своими специфическими преимуществами: СО₂ лазеры существенно дешевле и идеально подходит для маркировки упаковок пищи, лекарств, баночных напитков, тканей и кожи, но также и некоторых электронных компонентов. Твердотельные лазеры обладают гораздо меньшим пятном фокусировки, что позволяет использовать их для нанесения надписей микрошрифтом для защиты от подделки разного рода идентификационных и банковских карт. Малая длительность импульса делает их хорошим инструментом для маркировки стекла (как поверхностной, так и внутренней). Короткая длина волны позволяет использовать ультрафиолетовые лазеры для холодной маркировки пластиков - при этом изображение возникает за счет фотохимической реакции, без термического повреждения поверхности, что существенно для ряда приложений.

Трехмерное моделирование

Во многих отраслях производства требуется возможность быстрого недорогого изготовления моделей различных деталей (частей корпусов автомобилей, бытовой техники и т.д.) с целью проверки на моделях конструкторских концепций, дизайнерских решений, выявления возможных ошибок в чертежах до запуска изделий в серию. Существует несколько способов изготовить трехмерную деталь произвольной формы, и все они, в той или иной форме подразумевают использование лазеров:

Стереолитография - метод послойного отвердения жидкого полимера лазерным излучением. После отвердения каждого слоя заготовка опускается на один шаг вглубь ванны, заполненной полимером, и отвердевает следующий слой. Для этого используется ультрафиолетовое излучение ионных и твердотельных лазеров AVIA и INNOVA.

Спекание порошка - послойный процесс, напоминающий стереолитографию, с той разницей, что вместо жидкого полимера используется пластиковый или металлический порошок. Для его спекания требуется более мощное излучение СО2 лазера - GEM-100 для пластика и Diamond (свыше 200 Вт) для металлического порошка.

Моделирование объектов из ламината - при этом каждый слой вырезается из клейкой бумаги. После этого слой ламинируется горячим валиком и сверху наклеивается следующий лист бумаги. Подобный метод позволяет использовать менее мощные СО2 лазеры.

Резка металлов и неметаллов

Лазерный луч способен производить быструю и точную резку практически всех материалов. Критическим параметром здесь является мощность лазера, которая определяет максимальную скорость и глубину разреза, поэтому для резки традиционно используются СО₂ лазеры. Поскольку требования к скорости обработки существенно ниже, чем при гравировке и маркировке, лазерный луч обычно делают неподвижным и двигают сам материал. Если для большинства неметаллов - таких как акрил, текстолит, ткань, дерево, пластик, бумага, достаточно умеренных мощностей излучения - до 100-200 Вт, то металлы в этом отношении гораздо более требовательны. 500-ваттный лазер Diamond K500 способен разрезать мягкие сорта стали до 5 мм толщиной и нержавеющую сталь до 4 мм. Алюминий, титан, вольфрам еще хуже поддаются обработке - здесь предельная толщина порядка 2 мм. Во многих случаях резка металла требует дополнительной обдувки кислородом или воздухом.

Сварка металлов и пластиков

При сварке металлов лазер используется для плавления с ограниченным испарением и с размером пятна 0.5-1 мм. При этом, поскольку в процесс вовлечено большее количество материала, требования к мощности излучения СО2 лазера еще выше, чем для резки. Несмотря на это, лазерная сварка позволяет достичь гораздо более тонких швов, чем традиционные методы.

Лазерная сварка пластиков - сравнительно новая методика, использующая мощные диодные лазеры. При этом зона плавления создается между двумя пластиковыми пленками, верхняя из которых должна быть прозрачна для данной длины волны, а нижняя - нет. Наиболее отработана данная технология для таких материалов, как акрил, поликарбонат, полипропилен и их сочетаний, хотя имеются разработки и для других материалов.

Пайка

Лазерная пайка широко применяется при изготовлении компактных и густонаселенных печатных плат, когда ручная пайка становится слишком сложной. Как диодные, так и СО2 лазеры позволяют радикально уменьшить размер соединения.

Сверление микроотверстий

Сверление микроотверстий - это также элемент изготовления компактных печатных плат с высокой плотностью упаковки. Данное приложение быстро распространяется и становится все более востребованным по мере развития и совершенствования бытовой техники - от ноутбуков и цифровых фотоаппаратов до DVD-плееров и мобильных телефонов. Существует несколько вариантов технологического процесса, включающих сверление СО₂ лазером, химическое травление и сверление УФ твердотельным лазером, а также их различные сочетания. Каждый из этих вариантов имеет свой набор преимуществ, но, вкратце, СО2 лазер способен обеспечить дешевизну и высокую скорость процесса (600 отверстий в секунду и выше), тогда как ультрафиолетовые лазеры обеспечивают рекордно малый диаметр отверстия.

Терагерцовая оптика

Существует множество процессов в терагерцовом диапазоне спектра (дальний ИК), которые не были изучены из-за недоступности источников терагерцового излучения. Новейшие разработки привели к созданию источников ультракоротких импульсов в дальнем ИК-диапазоне и все возможности этой техники только начинают развиваться. Методы, некогда ограниченные УФ, видимым и ИК-диапазонами, теперь могут быть применены и в новом диапазоне.

Терагерцовая спектроскопия имеет приложения в изучении полупроводников, жидкостей, газов, в создании двумерных изображений. Получение изображений - это быстроразвивающаяся привлекательная область. Путем анализа ТГц волновой формы как во временном отношении (изменения однородности и толщины вещества), так и в частотном отношении (частотно-зависимое поглощение), наряду с прочими методами, можно получать изображения отражающие свойства вещества. Поляризованные жидкости и газы сильно поглощают в ТГц-диапазоне, следовательно, эти типы образцов изначально подходят для ТГц-оптики. Недавние публикации описывают целый ряд приложений для терагерцовой оптики, например: изучение поглощения и испарения воды листьями растений, проверка элементов электрической цепи в упакованных микросхемах, чтение текста в конверте или под слоем краски, обнаружение повреждений зубной эмали, нахождение водяных знаков на денежных купюрах.

Число коммерчески доступных терагерцовых систем крайне мало, несмотря на огромное множество приложений. Новые методы генерации и детектирования ТГц излучения основаны на использовании конверсии частоты при помощи нелинейной оптики. ТГц методики сочетают импульсный ультрабыстрый лазер и оптоэлектронику для генерации терагерцового излучения с субпикосекундной длительностью импульса. Типичная установка включает твердотельный лазер с синхронизацией мод, выдающий импульсы длительностью порядка 100 фс. Лазеры Vitesse или Mira Optima 900-F фирмы Coherent могут использоваться в качестве фемтосекундных источников возбуждения.

Существует также ряд приложений, требующих непрерывного терагерцового излучения, например, зондаж атмосферы. Здесь уникальными возможностями обладает лазер SIFIR (Stabilized Integrated Far InfraRed), с диапазоном квазинепрерывной перестройки 40-1000 мкм и мощностью свыше 50 мВт.

Шоу-бизнес

Лазеры все чаще применяются в качестве элемента художественного оформления на дискотеках и в ночных клубах, на концертах и праздничных шоу. Постепенно создание лазерных композиций превращается в самостоятельный вид искусства, со своими правилами, своими конкурсами и соревнованиями, своими гениями и законодателями мод.

Медицина

Косметическая хирургия;

Коррекция зрения;

Хирургия (Гинекология, урология, лапароскопия);

Стоматология

Диагностика заболеваний

Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга

Промышленность и быт

Лазерная резка, сварка, маркировка;

Лазерный дальномер / системы слежения;

Лидары / экологический мониторинг;

Проигрыватели компакт-дисков,DVD;

Лазерные принтеры, Цифровые минилабы;

Считыватели штрих-кодов;

Лазерная гравировка печатных форм;

Лазерные указки,;

Оптическая связь;

Системы навигации (напр. Лазерный гироскоп);

Физические манипуляции микроскопическими объектами;

Добавление субтитров на киноэкраны;

Лазерная ассоциация

Лазерная ассоциация (ЛАС) была создана в апреле 1990г. в Москве как неправительственная некоммерческая организация, цель которой - всемерное содействие созданию и внедрению передовой лазерной техники путем налаживания и укрепления взаимовыгодных рабочих связей между создателями и пользователями лазеров, организации информационного обмена, активного сотрудничества с лазерными обществами и объединениями всех стран мира. ЛАС - это международная научно-техническая организация, действующая на территории стран СНГ и Балтии. Среди коллективных членов ЛАС - государственные научные центры, академические институты, ВУЗы, заводы, клиники, малые предприятия и др. В Ассоциацию вступили сотни индивидуальных членов. Штаб-квартира Лазерной ассоциации - в Москве. На местах ее работу организуют 14 региональных центров - в Алма-Ате, Бишкек, Вильнюсе, Владивостоке, Ереване, Казани, Минске, Николаеве, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Самаре, С.Петербурге, Ташкенте, Томске. С 1995г. в Москве функционирует Научно-технический информационно-учебный центр (НТИУЦ) ЛАС.

Основные направления деятельности ЛАС

Информационно-экспертное обеспечение работ по лазерам и их применениям в странах СНГ и Балтии

Издание и распространение в печатном (с 1991 г.) и электронном (с 2000 г.) виде информационного бюллетеня "Лазер-Информ" (дважды в месяц), размещение справочных материалов на сайте ЛАС в Интернете.

Проведение анкетных опросов, мониторинг внутреннего лазерного рынка, подготовка аналитических справок и прогнозов.

Издание каталогов лазерной техники, производимой в странах СНГ и Балтии (9 наименований), тематических сборников статей, справочников.

Проведение семинаров, деловых встреч, организация ознакомительных визитов и пр.

Формирование Коллегии национальных экспертов стран СНГ по лазерам и лазерным технологиям (раз в 3 года).

Регулярное проведение в НТИУЦ ЛАС рабочих семинаров по применениям лазерных технологий и методик.

Развитие международного сотрудничества членов ЛАС

Инициирование (совместно с Союзом немецких инженеров - VDI) межправительственного соглашения между Россией и Германией о научно-техническом сотрудничестве в области лазеров, координация работ по этому соглашению в России.

Регулярная организация коллективных экспозиций членов ЛАС на международной выставке "LASER" в Мюнхене (начиная с 1993 г.), проведение международных конференций-презентаций " LIC Russia" (начиная с 1994 г.) с участием экспонентов и представителей деловых кругов из 30 стран, организация выездов отечественных специалистов на зарубежные выставки и конференции, комплексные презентации отечественной лазерной отрасли в Германии, Сингапуре, США и др.

Представительство в Экспертном комитете по программе "EUROLASER", стимулирование участия отечественных лазерных центров в международных проектах.

Коллективное членство ЛАС в Европейском оптическом обществе (EOS) и Лазерном институте Америки (LIA).

Заключение.

Физики и инженеры всего мира соревнуются в лазерных технологиях.

Лазерная техника развевается стремительно, и мы сами того не подозревая используем её каждый день. Пройденный путь от мазера до лазера на свободных электронах показывает всю мощь и перспективность развития данной области . Сколько ещё неизведанного и непридуманного? На этот вопрос ответит время, ведь то, что казалось фантастикой в фильмах, сейчас становиться явью. И мы будем жить среди этого.

Сводная таблица видов лазеров.

Газовые лазеры

Рабочее тело

Длина волны

Источник накачки

Применение

Гелий-неоновый лазер

632,8 нм (543,5 нм, 593,9 нм, 611,8 нм, 1,1523 мкм, 1,52 мкм, 3,3913 мкм)

Электрический разряд

Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.

Аргоновый лазер

488,0 нм, 514,5 нм, (351 нм, 465,8 нм, 472,7 нм, 528,7 нм)

Электрический разряд

Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.

Криптоновый лазер

416 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм, 676.4 нм, 752,5 нм, 799,3 нм

Электрический разряд

Научные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу.

Ксеноновый лазер

Множество спектральных линий по всему видимому спектру и частично в УФ и ИК областях.

Электрический разряд

Научные исследования.

Азотный лазер

337,1 нм

Электрический разряд

Накачка лазеров на красителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры.

Лазер на фтористом водороде

2,7 – 2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6 – 4,2 мкм (фторид дейтерия)

Химическая реакция горения этилена и трёхфтористого азота (NF₃)

Лазерные вооружения. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей.

Химический лазер на кислороде и йоде (COIL)

1,315 мкм

Химическая реакция в пламени синглетного кислорода и йода

Научные исследования, лазерные вооружения. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей.

Углекислотный лазер (CO₂)

10,6 мкм, (9,4 мкм)

Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд

Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.

Лазер на монооксиде углерода (CO₂)

2,6 – 4 мкм, 4,8 – 8,3 мкм

Электрический разряд

Обработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.

Эксимерный лазер

193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)

Рекомбинация эксимерных молекул при электрическом разряде

Ультрафиолетовая литография в полупроводниковой промышленности, лазерная хирургия, коррекция зрения.

Лазеры на красителях

Рабочее тело

Длина волны

Источник накачки

Применение

Лазер на красителях

390—435 нм (Stilbene), 460—515 нм (Кумарин 102), 570—640 нм (Родамин 6G), другие

Другой лазер, импульсная лампа

Научные исследования, спектроскопия, косметическая хирургия, разделение изотопов. Рабочий диапазон определяется типом красителя.

Лазеры на пара́х металлов

Рабочее тело

Длина волны

Источник накачки

Применение

Гелий-кадмиевый лазер на парах металлов

440 нм, 325 нм

Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.

Полиграфия, УФ детекторы валюты, научные исследования.

Гелий-ртутный лазер на парах металлов

567 нм, 615 нм

Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.

Археология, научные исследования, учебные лазеры.

Гелий-селеновый лазер на парах металлов

до 24 спектральных полос от красного до УФ

Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.

Археология, научные исследования, учебные лазеры.

Лазер на парах меди

510,6 нм, 578,2 нм

Электрический разряд

Дерматология, скоростная фотография, накачка лазеров на красителях.

Лазер на парах золота

627 нм

Электрический разряд

Археология, медицина.

Твердотельные лазеры

Рабочее тело

Длина волны

Источник накачки

Применение

Рубиновый лазер

694,3 нм

Импульсная лампа

Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазеров (1960).

Алюмо-иттриевые лазеры с неодимовым легированием (Nd:YAG)

1,064 мкм, (1,32 мкм)

Импульсная лампа, лазерный диод

Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров. Один из самых распространённых лазеров высокой мощности. Обычно работает в импульсном режиме (доли наносекунд).

Лазер на фториде иттрия-лития с неодимовым легированием (Nd:YLF)

1,047 и 1,053 мкм

Импульсная лампа, лазерный диод

Наиболее часто используются для накачки титан–сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.

Лазер на ванадате иттрия (YVO₄) с неодимовым легированием (Nd:YVO)

1,064 мкм

Лазерные диоды

Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.

Лазер на неодимовом стекле (Nd:Glass)

~1,062 мкм (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла)

Импульсная лампа, Лазерные диоды

Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты от 351 нм в устройствах лазерной плавки.

Титан-сапфировый лазер

650—1100 нм

Другой лазер

Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования.

Алюмо-иттриевые лазеры с тулиевым легированием (Tm:YAG)

2,0 мкм

Лазерные диоды

Лазерные радары

Алюмо-иттриевые лазеры с иттербиевым легированием (Yb:YAG)

1,03 мкм

Импульсная лампа, Лазерные диоды

Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры.

Алюмо-иттриевые лазеры с гольмиевым легированием (Ho:YAG)

2,1 мкм

Лазерные диоды

Медицина

Церий-легированный литий-стронций(или кальций)-алюмо-фторидный лазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF)

~280–316 нм

Лазер Nd:YAG с учетверением частоты, Эксимерный лазер, лазер на парах ртути.

Исследование атмосферы, лазерные дальномеры, научные разработки.

Александритовый лазер с хромовым легированием

Настраивается в диапазоне от 700 до 820 нм

Импульсная лампа, Лазерные диоды. Для непрерывного режима – дуговая ртутная лампа

Дерматология, лазерные дальномеры.

Оптоволоконный лазер с эрбиевым легированием

1,53–1,56 мкм

Лазерные диоды

Оптические усилители в оптоволоконных линиях связи.

Лазеры на фториде кальция, легированном ураном (U:CaF₂)

2,5 мкм

Импульсная лампа

Первый 4-х уровневый твердотельный лазер, второй работающий тип лазера (после рубинового лазера Маймана), охлаждался жидким гелием, сегодня не используется.

Полупроводниковые лазеры

Рабочее тело

Длина волны

Источник накачки

Применение

Полупроводниковый лазерный диод

Длина волны зависит от материала: 0,4 мкм (GaN), 0,63–1,55 мкм (AlGaAs), 3–20 мкм (соли свинца)

Электрический ток

Телекоммуникации, голография, лазерные целеуказатели, лазерные принтеры, накачка лазеров других типов. AlGaAs-лазеры (алюминий-арсенид-галлиевые), работающие в диапазоне 780 нм используются в проигрывателях компакт-дисков и являются самыми распространёнными в мире.

Другие типы лазеров

Рабочее тело

Длина волны

Источник накачки

Применение

Лазер на свободных электронах

могут излучать и настраиваться в широком спектре излучения

Пучок релятивистских электронов

Исследования атмосферы, материаловедение, медицина, противоракетная оборона.

Псевдо-никелевый самариевый лазер

Рентгеновское излучение 7.3 нм

Излучение в сверхгорячей плазме самария, создаваемое двойными импульсами лазера на неодимовом стекле. [1]

Первый демонстрационный лазер, работающий в области жесткого рентгеновского излучения. Может применяться в микроскопах сверхвысоко разрешения и голографии. Его излучение лежит в «окне прозрачности» воды и позволяет исследовать структуру ДНК, активность вирусов в клетках, действие лекарств.

Список источников:

Научная сеть -- http://nature.web.ru/

Информационный сайт ЛАС -- http://cislaser.com/laser/index.shtml

Всё о лазерах -- http://laserinfo.ru/

Информационный портал -- http://laserphysics.ru/spectr.php

Сайт -- http://lasercooling.ru/

Сайт -- http://www.thermonuclear.narod.ru/laser_r.php

Центр лазерных технологий -- http://www.ltc.ru/

TOC h z c "Рисунок"