Лазер: строение, свойства и применение

Жидкостный лазер. В этих лазерах рабочим телом служат жидкие диэлектрики с примесными атомами. Оказалось что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жидкостях, можно получить структуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых, не нужно варить стекло высокого качества, во-вторых, жидкостью можно заполнять любой объем, а это облегчает охлаждение активного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.

Разработан метод получения жидких активных веществ с примесями гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению стимулированного излучения жидкое вещество помещали в резонатор со сферическими зеркалами, подобный тому, что используют в газовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в непрерывном режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочей системам.

Был создан и исследован жидкостный лазер с активным веществом, излучала в диапазоне 0,5 ... 0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо распространяется в воде на большие глубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подводных локаторов.

Полупроводниковый лазер. В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым.

Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы. Нижняя представляет собой валентную зону, а верхняя - зону проводимости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, что в физике называют «дырками». Эти дыры играют роль положительного заряда. Произойдет перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить о перенаселенности верхней энергетической зоны.

Химический лазер. Они работают без электричества. Для этого потоки химических реагентов должны перемещаться и реагировать. Инверсия заселенность уровней энергии возникает при возбуждении энергией, выделяющейся при химической реакции. Для химического лазера является принципиальная возможность работы без внешнего источника электрической энергии. Вся необходимая энергия может быть получена за счет химической реакции.

Ультрафиолетовый лазер. Важное значение имеют ультрафиолетовая и рентгеновская участки диапазона спектра частот. Однако первый освоен крайне слабо. Создан часть приборов на аргоне, криптоне и азоте. Они излучают в диапазоне волн 0,29 ... 0,33 мкм и имеют очень незначительную мощность. Только работы последнего времени показали, что могут быть созданы и лазеры высокой мощности. Для этого пригодны так называемые ексимирни лазеры на аргоне, криптоне и ксеноне.

Лазер на свободных электронах. Принцип действия такого лазера основан на преобразовании энергии спектрального пучка релятивистских электронов в магнитном поле. Ускорителем электронов является устройство, выполненное в виде тороида, вокруг которого располагаются магнитные катушки. Магнитное поле, создаваемое этими катушками, управляется с определенным законом, обеспечивает ускорение электронов от одного оборота к другому. Это позволяет получить очень высокие скорости электронов. Поскольку процесс преобразования энергии электронов в оптическое излучение осуществляется непосредственно, то такой лазер обладает высоким КПД и может работать в режиме повторных импульсов. Другой, очень важным преимуществом лазера на свободных электронах, есть возможность перестройки длины волны излучения, что особенно важно для обеспечения более эффективного прохождения излучения в атмосфере.

Апротонный жидкостный лазер. Свое название этот лазер получил потому, что в неорганических растворителях с активными лазерными ионами отсутствует водород. Именно отсутствие групп атомов с висококоливальнимы частотами и позволяет осуществить в них эффективную лазерную генерацию за четырехуровневой схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения неодима.

Эти лазеры имеют в своей основе токсичные жидкости к тому же агрессивные, что значительно сужает выбор возможных конструкционных материалов (кварц, стекло, тефлон) и заставляет делать тщательную герметизацию кювет. Очень сложной задачей является конструирование узлов прокачки рабочей жидкости.

Длина волны генерации составляет 1,056; 1,0525 мкм. Лазеры могут работать как в режиме свободной генерации, так и в Моноимпульсная режиме, причем для них характерен режим самомодуляции добротности, проявляющийся при малых значениях добротности резонатора.

Лазер на парах меди. Одним из достижений лазерной техники является получение стимулированного излучения от среды, образованного парами меди. Эти пары являются следствием газового разряда в гелии при большой частоте повторения импульсов и значительной средней мощности, обеспечивает получение высокой температуры в газоразрядной трубке - около 1600К. Излучение сосредоточено на волнах 0,51 и 0,58 мкм. Кроме высокого коэффициента усиления, такие лазеры дают КПД, доходящим до 1%. Средняя мощность лазера достигает 50Вт.

В связи с большим коэффициентом усиления и малой длительностью существования инверсии заселенности для получения достаточно малого угла рассеяния эффективное применение неустойчивых резонаторов.

Основные свойства лазерного излучения