2.2. Конструкция, параметры и режимы работы лазеров

Конструкция лазеров.

На рис.3 изображена структурная схема, которая содержит следующие основные элементы:

Рис.3. Структурная схема лазера

1) излучатель лазера—основная функциональная часть лазера, предназначенная для преобразования энергии накачки в лазерное излу­чение и содержащая один или несколько лазерных активных элементов;

2) внешний источник энергии, который обеспечивает создание энер­гии накачки, превышающей порог генерирования лазера.

Излучатель лазера в свою очередь можно считать состоящим из ряда конструктивных элементов, среди которых можно выделить:

1)лазерный активный элемент (лазерный усилитель), содержащий лазерное вещество, в котором в процессе накачки создается активная среда;

2)систему накачки — совокупность элементов, предназначенных для преобразования энергии и передачи ее от внешнего источника энергии к лазерному активному элементу;

3) оптический резонатор—элемент положительной обратной связи.

В полупроводниковых лазерах излучатель составляет конструктив­ное целое; в газовых и твердотельных лазерах можно обычно выделить каждый из элементов излучателя.

Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих для управ­ления лазерным излучением. К таким дополнительным элементам мож­но отнести (рис.3) систему охлаждения активного элемента и систе­мы накачки, модулятор, внешнюю оптическую систему, устройство кон­троля параметров излучения и др.

В каждом конкретном случае применения лазеров наличие тех или иных дополнительных устройств (или всех сразу) не является обяза­тельным. Как будет видно при рассмотрении типов лазеров, температу­ра активного вещества играет важную роль в достижении эффективности лазера. В некоторых активных веществах достаточную эффективность можно по­лучить лишь при их значительном охлаждении. Система охлаждения предназначается для создания необходимой температуры активного ве­щества и системы накачки.

Модуляция излучения необходима, например, при использовании лазеров в системах обработки информации и позволяет управлять ла­зерным излучением. Она может быть осуществлена путем воздействия на систему накачки или активный элемент, а также преобразованием выходного лазерного излучения.

Внешняя оптическая система служит для формирования лазерного излучения, например, для изменения угла расходимости. Устройства контроля параметров представляют собой различные устройства изме­рения параметров излучения (мощности излучения, частоты и т. п.) и поддержания их на заданном уровне.

По типу материала активного элемента лазеры делятся на четыре основных класса:

1. Полупроводниковые - лазеры с полупроводниковым активным элементом;

2) газовые - лазеры с газовым активным элементом;

3) твердотельные - лазеры с твердотельным активным элементом;

4) жидкостные -лазеры с жидкостным активным элементом.

Основные параметры лазеров.

Лазерное излуче­ние характеризуется пространственно-временными и энер­гетическими параметрами.

В группе пространственно-временных выделяют следую­щие параметры:

1) частота лазерного излучения - средняя частота (или средняя длина волны) спектра лазерного излучения;

2) ширина линии лазерного излучения - расстояние между точками контура спектральной линии лазерного из­лучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме;

3) расходимость лазерного излучения - плоский или телесный угол, характеризующий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;

4) время готовности лазера - время, необходимое для достижения лазером эксплуатационных (номиналь­ных) параметров с момента его включения.

К энергетическим параметрам лазера относятся прежде всего энергия Е и мощность Р лазерного излучения. Энер­гия определяет энергетические возможности лазера. Мощ­ность характеризует интенсивность излучения энергии ла­зером, концентрацию энергии во времени. В применении к лазеру эту, казалось бы, банальную разницу необхо­димо подчеркнуть.

Расхожей является фраза: «Мощность лазера равна мощности Днепрогэса», но при этом нельзя забывать, что эта мощность дей­ствует всего1 нс.

Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т. е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходящейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.

Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энер­гию излучения характеризуется КПД, который равен отношению энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру.

К энергетиче­ским параметрам относится также порог генерирования лазера .

Режимы работы лазеров.

Можно выделить три основных режима работы лазеров:

1) режим непрерывного генерирования лазерного излу­чения (непрерывный режим); лазеры, работающие в не­прерывном режиме, называются непрерывными;

2) режим импульсного генерирования лазерного излу­чения (импульсный режим) и, соответственно, импульсные лазеры;

3) режим импульсно-периодического лазерного излу­чения — импульсно-периодические лазеры.

В непрерывном режиме работы лазера мощность лазер­ного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно пре­вышающем период колебаний, т. е. такие лазеры дают не­прерывное излучение в течение длительного времени.

Импульсный режим характеризуется излучением энер­гии в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказы­вается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, и мощность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 нс (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн. кВт).

В импульсно-периодическом режиме излучение форми­руется в виде периодических серий и импульсов - импульс­ных пакетов.