Устройство лазера

Рис.1,Схема устройства на примере рубинового лазера

Ла́зер состоит из трёх основных компонентов (см.рис.1):

• Источника энергии (с включением механизма «закачки» энергии)
• Основного рабочего тела (например, рубин)
• Системы зеркал («оптического резонатора»)

Введение

Физической основой работы лазера является вынужденное (индуцированное) излучение.

Лазерное излучение (явление) состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона не поглощая его, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (излучённый фотон является «точной копией» фотона, который его «спровоцировал»). Таким образом происходит усиление светового потока электромагнитного излучения. В отличие от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайное направление распространения, в данном случае имеет место излучения направленного усиленного луча черезполяризацию и одинаковую фазу колебания

Источник энергии

Источник накачки подаёт энергию в систему формирования лазерного луча. В качестве источников энергии могут выступать:

• Электрический разрядник;
• Импульсная лампа;
• Дуговая лампа;
• Химическая реакция;
• Взрывчатое вещество.

Вид используемого устройства «накачки» непосредственно зависит от используемого рабочего тела и также определяет способ подвода энергии к системе формировния луча. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

Рабочее тело

Основным компонентом, определяющим рабочую длину волны, а также остальных свойств лазера, является рабочее тело. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

В лазерах используются следующие рабочие тела:

• Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.
• Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
• Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло), новые оптические материалы на основе нанопорошковых оксидов LuY0₃ размером 2—28 нм. Из которых приготавливается шихта из окидов Lu₂0₃ и Y₂0₃, взятых в стехиометрической пропорции; после чего смесь перетирали и прессовали под давлением 35МПа с температурой обжига в 1200°С. Получаемая прозрачная керамика незаменима в волноводах лазерных волокон. Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
• Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

Оптический резонатор

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и, попадая во внутрь тела, опять усиливается. Электромагнитная волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество и точность изготовления и установки этих зеркал является главным результирующим показателем качества получемого лазерного луча лазерной установки.

Дополнительные устройства

Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

Новые лазеры для науки и промышленности

Перестраиваемые лазеры на титан-сапфире и красителях

Непрерывные кольцевые лазеры на красителях с высокой стабильностью длины волны и крайне узкой линией излучения в диапазоне длин волн 570-700 нм

. С удвоителем частоты излучения рабочий спектральный диапазон этих лазеров может быть расширен в УФ область, в диапазоне 285-350 нм. Применение активной среды, обладающей широкополосным спектром излучения, позволяет создать лазер, в котором длина волны может непрерывно меняться в широких пределах. Лазеры на красителях обладают высоким диапазоном перестройки, состоящим из множества спектральных поддиапазонов шириной ~50-80 нм для каждого красителя. Применение лазеров на красителях для получения перестраиваемого по длине волны излучения в центре видимого диапазона спектра – наиболее простой и эффективный подход к реализации необходимого источника лазерного излучения в этой области спектра.

См. также

• Виды лазеров
• Лазер
• Оптическое волокно
• Лазерный рентгеновский микроскоп
• Прозрачные керамические материалы