Конструкция и принцип работы промышленных лазеров
Вне зависимости от разновидности конструкции и принципа работы все лазеры имеют три основных узла: активный элемент, устройство «накачки» и резонатор (рис. 6.4).
В зависимости от агрегатного состояния активного элемента лазеры подразделяются на твердотельные, газовые и жидкостные.
В любом активном элементе имеются активные центры, в которых зарождается лазерное излучение.
В твердотельных лазерах активным элементом обычно является стержень цилиндрической формы из кристалла диэлектрика или стекла. В рубиновом лазере матрицей (основой) активного элемента является кристалл розового рубина (AI2O3).
В качестве активных центров в этом лазере применяются ионы хрома (Сг3+), доля которых составляет 0,05 %.
В твердотельных лазерах для возбуждения активных центров применяется оптическая накачка: параллельно активному элементу-стержню 1 помещается вспомогательная лампа-вспышка 2 (рис. 6.5). С помощью специального отражателя 3 световая энергия лампы-вспышки концентрируется на активном стержне и частично поглощается в нем, переводя активные центры — ионы хрома (или неодима) на уровень возбуждения. Ион хрома, как и любой реальный ион или атом, в действительности имеет не два, а много энергетических уровней. Для работы лазера на рубине существенны только два энергетических уровня 1, 2 и две энергетические полосы 3, 4 (рис. 6.6). Ион хрома поглощает световой импульс от ксеноновой лампы «накачки», возбуждается и скачком переходит с нормального уровня 1 на энергетическую полосу 3. Однако состояние ионов с энергией Ез является неустойчивым, они практически не задерживаются в этом состоянии и переходят на уровень 2 (рис. 6.6).
Переход 3 — 2 является безызлучательным и не сопровождается испусканием фотонов — избыток энергии, выделяющейся при этом переходе, расходуется на колебания кристаллической решетки рубина. На энергетическом уровне 2 ион хрома задерживается на длительное время 10—4— 10—3 с (что в десятки и сотни тысяч раз больше его пребывания на энергетической полосе 3). Уровень 2 называется метастабильным, а находящиеся на нем ионы — «долгоживущими».
Таким образом, в процессе «накачки» на метастабильном уровне 2 накапливается большое количество возбужденных ионов Н хрома. При определенной мощности «накачки» концентрация ионов хрома с энергией Ег становится выше концентрации ионойИ хрома с энергией Ei — система становится инверсной.
При наличии «сигнала» в виде резонансного ИзлученияИ спонтанных фотонов с энергией, равной разности уровней 2 и 7 Л происходит вынужденное индуцированное излучение ионов хромав — создается лазерный луч. Резонатор в простейшем случае представляет собой два взаимно перпендикулярных зеркала, находящихся на торцах активного элемента (см. с. 77). Одно из зеркал является полностью отражающим; другое зеркало, называемое выходным, должно частично пропускать излучение — через это зеркало испускается лазерный луч.
Твердотельные лазеры имеют ряд преимуществ: острую фокусировку луча, возможность работы в любой оптически прозрачной атмосфере (вакуум, инертные газы, воздух и т.п.), отсутствие вторичного рентгеновского излучения, простоту установки. К недостаткам следует отнести низкий КПД лазера (от 0,1 до 5%) из-за больших потерь теплоты в кристаллической решетке активного элемента, его перегрева и трудностей охлаждения, что не позволяет длительное время работать в непрерывном режиме; сравнительно ограниченную мощность, а следовательно, ограниченную глубину обработки.
В газоразрядных лазерах активным элементом является стеклянная трубка, внутри которой находится специально подобранная газовая смесь под давлением 1 — 10 мм рт. ст.1, возбуждаемая электрическим разрядом.
Различают три разновидности газоразрядных лазеров: ионные газоразрядные лазеры — генерируют лазерный луч за счет энергетических переходов свободных ионов;
атомные лазеры — генерируют лазерный луч за счет переходов возбужденных атомов;
молекулярные лазеры (мазеры) — генерируют лазерный луч за счет переходов между уровнями молекул.
Ионные лазеры генерируют излучение, попадающее в видимую и ближнюю ультрафиолетовую области спектра, от 0,3 до 1 мкм.
Примером ионного лазера является аргоновый (рис. 6.7). Для возбуждения используется стационарный дуговой разряд постоянного тока.
Примером атомного газоразрядного лазера является гелий-неоновый лазер. Активный элемент представляет собой газоразрядную трубку, в которой под давлением 1 мм рт. ст. находится смесь гелия и неона; парциальное давление неона в 5 — 10 раз меньше, чем гелия. Активными центрами, испускающими излучение, являются атомы неона. Гелий играет роль вспомогательного буферного газа — атомы гелия служат для передачи энергии возбуждения атомам неона. При подаче на электроды напряжения около 1000 В в рабочем канале трубки зажигается тлеющий разряд, служащий для «подкачки» энергии атомам газа и перевода их в возбужденное состояние.
Образование активных центров в виде возбужденных атомов неона происходит по следующему механизму: электроны, образующиеся в разряде, сталкиваются с атомами гелия и передают им энергию, при этом возникают возбужденные атомы гелия; возбужденные атомы гелия сталкиваются с невозбужденными атомами неона и передают им часть своей энергии, при этом возникают возбужденные атомы неона.
Таким образом, создается инверсная населенность рабочих уровней атомов неона, когда концентрация возбужденных атомов неона начинает превышать концентрацию нормальных.
Примером молекулярного лазера является СО2 — лазер, структурная схема которого приведена на рис. 6.8. Активным элементом является газовая смесь, состоящая из диоксида углерода (СО2), молекулярного азота (N2) и небольших добавок в виде гелия, паров воды и т.д. Активными центрами являются молекулы СО2. Азот является буферным газом. Для «накачки» энергии используется тлеющий разряд.
Образование активных центров в виде возбужденных молекул СО2 происходит по следующему механизму: электроны, образующиеся в разряде, сталкиваются с молекулами азота и передают им энергию, при этом образуются возбужденные молекулы азота; возбужденные молекулы азота сталкиваются с невозбужденными молекулами диоксида углерода, при этом образуются возбужденные молекулы СО2. Это приводит к возникновению инверсионной населенности рабочих уровней молекул СОз.
Добавление в рабочую смесь гелия облегчает условия возникновения разряда, способствует охлаждению разряда (благодаря высокой теплопроводности гелия) и вызывает высокую инверсию заселенности возбужденных уровней.
В резонатор жидкостных лазеров вместо стеклянного стержня (как у твердотельных лазеров) помещают кювету с раствором. Инверсия осуществляется за счет накачки от импульсных ламп. Коэффициент преобразования энергии оптической накачки в энергию генерации достигает 50 %. Активной средой являются растворы редкоземельных ионов в неорганических жидкостях или растворы органических красителей. Возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения позволяет получать большие энергии и мощности излучения.