Різноманітність лазерів

Лазерів існує безліч: газові, твердотільні, волоконні, рідинні, на парах металів, на вільних електронах, напівпровідникові, на центрах фарбування, газодинамічні, ексімерні, хімічні і навіть лазери з накачуванням ядерним вибухом. У цій частині статті ми розглянемо різні види лазерів, на яких довжинах хвиль вони світять і де використовуються.

Конструкція газового лазера

У газових лазерах активним середовищем, як це випливає з назви, є газ. До них відносяться: гелій-неоновий лазер, лазер на вуглекислому газі, аргоновий, криптоновий та азотний лазери, лазер на чадному газі.

У гелій-неоновому лазері посилення світла відбувається на атомах неону, гелій працює як тепловідведення і служить для підвищення тиску. Це дуже малопотужні лазери (від 1 до 100мВт), енергія яких підводиться за допомогою поздовжнього газового розряду. Накачування на верхній рівень лазера відбувається при зіткненні електронів розряду з атомами неону. Основна довжина хвилі – 0.6328 нм. Шляхом установки призми або дифракційної решітки (частотно-селективних елементів) можна отримати генерацію на довжинах хвиль 0.5435, 0.5939, 0.6118, 1.1523, 1.52 та 3.3913 мкм

Лазер на вуглекислому газі (CO2-лазер) – один із найпопулярніших промислових лазерів (сьогодні його витісняють волоконний та діодний лазери). Вони використовуються для обробки різних матеріалів та аналізу складу атмосфери. Є навіть низка проектів щодо використання цих лазерів для управління блискавками. Активним середовищем вуглекислотних лазерів є суміш газів: CO2, N2 та He. Іноді для покращення розряду додають Xe та деякі органічні речовини. Накачування, як і в гелій-неоновому лазері, здійснюється шляхом створення розряду в середовищі (є й екзотичніметоди, наприклад, пряме упорскування електронного пучка). Розряд використовують як поздовжній тліючий (у лазерах у вигляді трубок), так і високочастотний поперечний (в лазерах з напівхвильововодним резонатором). Накачування відбувається за рахунок зіткнення молекул вуглекислого газу та азоту (з подальшою передачею енергії на вуглекислий газ) з електронами розряду. Основна довжина хвилі таких лазерів лежить в інфрачервоному діапазоні та становить 10.6 мкм. Для різних дослідних цілей використовують частотно-селективні елементи, які дозволяють перебудовувати довжину хвилі в діапазоні від 9 до 11 мкм.

Аргоновий лазер також збуджується електричним розрядом, однак робочі лазерні рівні відповідають іонам, а не молекулам (атомам) газу. Чим вище ступінь іонізації атома (тобто чим більше електронів з нього вилетіло), тим коротшу довжину хвилі може генерувати лазер. Усього довжин хвиль, які випромінює лазер, 14, у порядку зменшення інтенсивності: 0.488, 0.5145, 0.3638-0.3336, 0.4965, 0.4765, 0.3851-0.3511, 0.5287, 0.5.3.0.30. 7, 0.4658, 0.4579, 0.4545, 0.3055-0.2754 мкм. Використовуються в основному для літографії, в офтальмології та для накачування інших лазерів – Ti:Sa та лазерів на барвниках.

Криптоновий лазер влаштований так само, як і аргоновий, але випромінює в основному на довжині хвилі 0.647 мкм. Більш слабке випромінювання відповідає 0.416, 0.5309, 0.5682, 0.6764, 0.7525 та 0.7993 мкм. Також використовуються в літографії та офтальмології.

Азотний лазер здатний генерувати довжину хвилі 0.3371 мкм і, слабше, 0.316 і 0.357 мкм. Накачування здійснюється електричним розрядом. При цьому коефіцієнт посилення таких лазерах настільки високий, що лазер може працювати і без резонатора. Областью застосування є, в основному, наукові дослідження та вимірювання параметріватмосфери.

CO-лазер працює на суміші CO, N2 і He, його принцип роботи аналогічний CO2-лазеру, але потрібні кріогенні температури, у зв'язку з чим він не знайшов широкого поширення в промисловості, хоча і має істотно більший ККД. Довжини хвиля лазера лежать у діапазонах 2,5-4,2 мкм та 4,8-8,3 мкм.

Лазери на парах металів

Ці лазери подібні до газових лазерів, проте, як випливає з назви, як активне середовище в них використовуються пари різних металів. У лазерній трубці є дві (іноді більше) невеликі ємності з металом буферний інертний газ. Одна з ємностей нагрівається до високих температур, метал починає випаровуватися і дифундувати по всій трубці, беручи в облогу другої ємності. Коли ресурс першої ємності вироблений, нагрівання перемикається на другу ємність, а напрямок дифузії та осадження змінюється. Накачування лазера здійснюється за допомогою розряду в газі. При цьому іон інертного газу стикається з атомом металу та передає йому енергію. З огляду на особливості структури енергетичних рівнів, такі лазери працюють лише в імпульсному режимі.

Найвідоміший лазер на парах металів використовує мідь. Посилення серед настільки велике, що він здатний працювати без резонатора. Це досить потужний лазер, який випромінює на довжинах хвиль 0.5106 та 0.5782 мкм. Один з небагатьох лазерів на парах металу, який знайшов своє застосування поза науковими та учбовими лабораторіями – він використовується в швидкісній фотографії та для накачування лазерів на барвниках.

Другим за популярністю є гелій-кадмієвий лазер. Його спектр – 0.44 та 0.325 мкм, тобто ультрафіолетова область, за рахунок чого він знайшов своє застосування у поліграфії та ультрафіолетових детекторах.

Більш екзотичні лазери на парах металів використовують пари ртуті.(у суміші з гелієм, довжини хвиль 0.567 та 0.615 мкм), селену (24 смуги від червоного до УФ) та золота (0.627 нм). Крім як у наукових експериментах, застосовуються рідко.

У цих лазерах накачування активного середовища (газу) відбувається за рахунок хімічних реакцій. Здатні генерувати безперервну потужність до мегават. Основних представників цього сімейства два – кисень-іонний та фторводневий лазери.

Кисень-іонний лазер працює за рахунок реакції газоподібного хлору, молекулярного йоду, розчину перекису водню та гідроксиду калію. В результаті хімічної реакції розчину з хлором (крім тепла та хлориду калію) утворюється кисень, який передає свою енергію молекулам йоду, який потім випромінює на довжині хвилі 1.315 мкм.

Лазер на фтористому водні використовує ланцюгову реакцію: атомарний фтор з'єднується з молекулярним воднем з утворенням HF молекули і атомарного водню. Атомарний водень, своєю чергою, реагує з молекулярним фтором, знову утворюючи HF і атомарний фтор. Для запуску реакції використовують електричний розряд. Існує також і лазер на ізотопі водню - дейтерії, який відрізняється від HF-лазера довжинами хвиль: HF випромінює в діапазоні 2.7-2.9 мкм, а DF - 3.6-4.2 мкм.

Цей клас лазерів використовує хімічну реакцію з нестійкими молекулами ексімерами. Такі молекули утворюються за участю інертних газів і здатні існувати лише у збудженому стані. З'єднання атомів у молекули відбувається завдяки електричному розряду. Використовуються повсюдно в ультрафіолетовій літографії та офтальмології. Довжини хвиль такі: 0.193 мкм (ArF), 0.248 мкм (KrF), 0.308 мкм (XeCl), 0.353 мкм (XeF).

Лазери з ядерним накачуванням

Мабуть, найекзотичніший вид лазерів. Накачування середовища в них здійснюється за допомогоюядерних реакцій Чи здатні випромінювати світло в діапазоні від рентгена до далекого ІЧ. Є два типи таких лазерів – одні використовують ядерні процеси в реакторі, інші – ядерний вибух, після якого середовище перетворюється на збуджений стан. Останні, зрозуміло, одноразові.

Рідинні лазери (лазери на барвниках)

Як активне середовище в таких лазерах використовуються, як це випливає з назви, рідини, що мають якесь забарвлення. Найпопулярнішим барвником є Родамін 6G, але я чув про отримання генерації навіть на бренді. У малопотужних лазерах використовується кювета з рідиною, а в потужних варіантах формується тонкий струмінь, що дозволяє уникнути проблем з охолодженням. Для накачування використовуються інші лазери – твердотільні та газові. Спектр таких лазерів дуже широкий і становить десятки нанометрів. Це дозволяє проводити перебудову по довжині хвилі або генерувати відразу в усьому спектрі (при цьому відбувається генерація надкоротких імпульсів). Різні різновиди барвника Кумарину повністю перекривають діапазон довжин хвиль від 0.435 до 0.565 нм. Різні Родаміни світять у сумарній області 0.540-0.675 мкм, а інші барвники перекривають весь спектр аж до 0.940 мкм. Застосовуються, в основному, для створення лазерного годинника, лазерної спектроскопії та генерації надкоротких імпульсів у дослідницьких та (зрідка) промислових цілях.

конструкція твердотільного лазера з поздовжнім діодним накачуванням (майже як у зеленій лазерній указці)

Як активне середовище використовуються кристали з додаванням активних речовин. При цьому лазерні рівні утворюються в активній речовині через вплив на нього зовнішньої кристалічної решітки. Природні кристали для лазерних цілей не підходять, тому їхспеціальним чином вирощують, домагаючись при цьому високої однорідності розподілу домішок по кристалу та однорідності самого кристала. Єдиним способом ввести енергію у такі лазери є світло. Накачування здійснюється за допомогою ламп (імпульсних та безперервних), інших лазерів та діодів.

Лазер на рубіні був першим лазером оптичного діапазону. Активною речовиною є іони хрому, а кристал Al2O3. Для накачування застосовують лампи-спалахи. Довжина хвилі 0.6943 нм. Використовується в голографії та видалення татуювань.

Існує кілька лазерів на іонах неодиму, що розрізняються матричними кристалами і відповідно довжиною хвилі. Накачування проводиться або за допомогою ламп, або, що найбільше популярно на сьогоднішній день, за допомогою діодів. Найпопулярнішим є Nd:YAG (неодим в алюмо-іттрієвому гранаті). Основна довжина хвилі 1.064 мкм, другорядна – 1.32 нм. За допомогою нелінійних кристалів іноді подвоюють частоту лазера (довжина хвилі становить 0.532 мкм), саме така схема використовується в зелених китайських лазерних указках. Застосовується в обробці матеріалів, далекомірах, наукових дослідженнях та для накачування інших лазерів. Ще два лазери на неодимі – Nd:YLF та Nd:YVO застосовуються в основному для накачування Ti:Sa лазерів і мають довжини хвиль 1.047 (вторинна 1.053) та 1.064 мкм відповідно.

Окремо стоїть лазер на неодімі у склі. Замість кристала тут використано аморфне скло, що призводить до помітно ширшого спектру, ніж у Nd:YAG. Довжини хвиль відрізняються зовсім небагато - 1.062 і 1.054 нм (залежно від типу скла), але ці лазери здатні досягати енергій в імпульсі аж до мегаджоулів (теравати пікової потужності). Використовуються для лазерної плавки та у спробах реалізації лазерного термоядерного синтезу.

Ще трилазера використовують як матричного кристала алюмо-итриевый гранат (YAG), розрізняються вони легуючими добавками. Ітербієвий лазер (Yb:YAG) має довжину хвилі 1.03 мкм і використовується для обробки матеріалів, спектроскопії та в далекомірах. Гольмієвий лазер (Ho:YAG) із довжиною хвилі 2.1 мкм використовується в медицині, а лазер на тулії (Tm:YAG) – у радарах (його довжина хвилі 2 мкм).

Титан-сапфіровий лазер (Ti: Sa) має надширокий спектр випромінювання – від 0.65 до 1.1 мкм. За рахунок цього його можна перебудовувати у всьому діапазоні, так і вибирати якусь довжину хвилі, крім того, він здатний випромінювати відразу у всьому спектрі (при цьому виходять надкороткі імпульси). Для його накачування використовується безліч інших лазерів, а сам Ti: Sa знайшов своє застосування в наукових дослідженнях, далекомірах та спектроскопії. Через свою складність застосування у промисловості не знайшли.

Конструкція Ti: Sa лазера.

Ще один тип лазерів використовує як матричний кристал селенід цинку (ZnSe). В основному застосовуються два типи активних легуючих добавок – хром та залізо. Діапазони довжин хвиль, їм відповідні – 1.9-3.6 мкм та 4-4.5 мкм. Використовуються для генерації надкоротких імпульсів, що має застосування у промисловості.

До твердотільних лазерів належить і волоконний лазер. Істотна відмінність конструкції в тому, що замість короткого та товстого кристала використовується дуже довге та дуже тонке волокно (його довжина може досягати кілометрів). При цьому в одному волокні виконано відразу кілька хвилеводів - один з них - це активне середовище лазера, леговане ербієм, а інші проводять випромінювання накачування від лазерного діода, яке на шляху прямування поступово проникає в основний хвилевід. Дуже активно використовуються в промисловості для різання,гравіювання та зварювання. Крім того, знайшли своє застосування в медицині та косметології, використовуються як підсилювачі в оптоволоконному зв'язку. Довжини хвиль від 1.53 до 1.56 мкм.

Конструкція напівпровідникового лазера

Найпоширеніший тип лазерів. В основі конструкції лежить напівпровідниковий діод з гранями, що відображають, проте через особливості застосування як лазера і фізики необхідних процесів, вони сильно відрізняються від своїх радіотехнічних прабатьків. Накачуються прямо струмом – в активному середовищі (на p-n переході) відбувається рекомбінація електронів і дірок (порожніх місць без електронів) з випромінюванням кванта світла. Спочатку працювали лише за кріогенних температур, проте сьогодні цього не потрібно. Випромінюють у різних діапазонах – від ближнього УФ до далекого ІЧ та у терагерцовому (але заповнюють спектр в повному обсязі). Знайшли найширше застосування в телекомунікаціях, промисловості, наукових дослідженнях та побуті. Активно використовуються для накачування інших лазерів.

Лазери на вільних електронах

Випромінюють у діапазоні від рентгена (частки ангстрему - одиниці нанометрів) і до терагерцових хвиль. В основі конструкції лежить ондулятор (послідовність протилежно розташованих магнітів) через який летить потік електронів. За рахунок змінного магнітного поля відбувається поперечне коливання електронів, що випромінюють світло вздовж напрямку руху. Використовуються в кристалографії та дослідженні матеріалів. Оскільки вкрай складні, дорогі та величезні, у промисловості не використовуються.