Microsoft Word doc

Лазеры
 
на
 
углекислом
 
газе
 
Этот
лазер
относится
к
семейству
молекулярных
лазеров
, 
в
которых
излучение
генерируется
в
результате
переходов
между
колебательными
энергетическими
уровнями
молекул
. 
СО
2
-
лазер
генерирует
инфракрасное
излучение
на
длине
волны
10,6 
мкм
. 
Данный
лазер
отличается
высоким
КПД
(15–20 %) 
и
высокой
мощностью
генерации
в
непрерывном
режиме
, 
которая
может
достигать
10
6
Вт
. 
На
рис
. 10.7 
показаны
типы
колебаний
молекулы
СО
2
(
симметричное
, 
деформационное
, 
антисимметричное
колеба
-
ния
), 
а
на
рис
. 10.8 – 
квантовые
уровни
энергии
, 
соответствую
-
щие
этим
колебаниям
. 
Возбуждение
колебаний
молекулы
СО
2
осуществляется
путем
электронного
удара
в
электрическом
разряде
. 
Рабочее
вещество
СО
2
-
лазера
состоит
из
смеси
углекислого
газа
, 
азота
Рис
. 10.7. 
Типы
колебаний
молекулы
углекислого
газа

---

248 
Рис
. 10.8. 
Уровни
энергии
, 
соответствующие
колебаниям
молекулы
углекислого
газа
и
схема
работы
СО
2
-
лазера
и
гелия
. 
Столкновения
электронов
газового
разряда
, 
атомов
и
мо
-
лекул
в
такой
смеси
приводят
к
эффективному
заселению
верхне
-
го
и
быстрому
опустошению
нижнего
уровней
лазерного
перехо
-
да
, 
что
увеличивает
инверсию
населенностей
и
мощность
генери
-
руемого
излучения
. 
Типичные
лазеры
на
углекислом
газе
имеют
длину
около
двух
метров
и
могут
создавать
непрерывное
лазерное
излучение
мощностью
около
150 
Вт
. 
Ничто
не
препятствует
созданию
очень
длинного
лазера
для
излучения
значительно
большей
вы
-
ходной
мощности
, 
так
как
она
линейно
увеличивается
с
увели
-
чением
длины
. 
На
установках
для
лазерного
термоядерного
синтеза
соз
-
даны
лазеры
, 
генерирующие
импульсы
длительностью
порядка
10
–9
с
энергией
10
5
Дж
и
мощностью
до
10
14
Вт
. 
Фокусировка
такого
излучения
позволяет
получить
интенсивность
света
на
уровне
10
19
Вт
/
см
2
, 
при
этом
напряженность
поля
в
световой
волне
достигает
10
11
В
/
см
, 
т
.
е
. 
превышает
напряженность
внут
-
риатомного
электрического
поля
. 
На
рис
. 10.9 
показан
внешний
вид
СО
2
-
лазера
, 
в
котором
газ
проходит
по
разрядным
трубкам
(
длина
каждой
около
20 
см
) 
с
поперечным
возбуждением
, 
горячий
газ
охлаждается
в
тепло
-
обменнике
. 

---

249 
Рис
. 10.9. 
Внешний
вид
СО
2
-
лазера
мощностью
около
10 
кВт
для
обработки
материалов
СО
2
-
лазеры
является
важнейшим
источником
излучения
при
обработке
материалов
, 
однако
их
инфракрасное
излучение
пока
еще
не
удается
эффективно
проводить
по
гибким
оптоволокнам
. 
Полупроводниковые
 
лазеры
 
В
полупроводниковых
лазерах
излучение
генерируется
в
области
p–n-
переходов
в
соединениях
элементов
III 
группы
периодической
таблицы
(Al, Ga, In) 
с
элементами
V 
группы
(N, P, As, Sb) 
и
др
. 
Резонаторами
здесь
могут
быть
грани
кри
-
сталла
, 
поэтому
полупроводниковые
лазеры
компактны
. 
Малые
размеры
, 
высокий
КПД
, 
продолжительный
срок
службы
и
про
-
стое
обслуживание
полупроводниковых
лазеров
– 
все
это
позво
-
ляет
в
большом
объеме
производить
электрооптические
устрой
-
ства
, 
например
, 
для
измерительной
и
аналитической
техники
, 
а
также
для
бытовой
электроники
ежедневного
пользования
. 

---

250 
Их
излучение
с
длиной
волны
около
800 
нм
весьма
удобно
при
передаче
информации
по
стекловолокнам
. 
В
60-
х
годах
появились
полупроводниковые
лазеры
на
ге
-
тероструктурах
(
рис
. 10.10), 
в
которых
активной
средой
явля
-
ется
узкозонный
слой
с
высоким
квантовым
выходом
. 
Благодаря
особенностям
формы
активной
зоны
такие
лазеры
легко
присое
-
диняются
к
волноводам
. 
Ширина
активной
области
лазера
при
такой
геометрии
может
быть
уменьшена
до
1 
мкм
, 
вследствие
чего
пороговые
токи
могут
достигать
1 
кА
/
см
2
. 
Рис
. 10.10. 
Полосковый
полупроводниковый
лазер
на
двойной
гетероструктуре
В
конце
80-
х
годов
стало
ясно
, 
что
гетеропереходы
позво
-
ляют
формировать
потенциальные
ямы
для
электронов
и
дырок
, 
повышая
концентрацию
носителей
, 
увеличивая
инверсную
засе
-
ленность
электронов
и
дырок
, 
снижая
плотность
порогового
то
-
ка
до
~50 
А
/
см
2
. 
Самый
первый
лазер
с
резонатором
Фабри
–
Перо
с
само
-
организующимися
 
квантовыми
точками
был
создан
в
1994 
году
на
основе
точек
из
InGaAs 
в
матрице
GaAs (
рис
. 10.11). 
В
на
-
стоящее
время
лазеры
на
квантовых
точках
(
с
излучением
в
ви
-

---

251 
димом
и
инфракрасном
диапазонах
) 
уже
являются
коммерче
-
ским
продуктом
. 
Миллионы
таких
лазеров
, 
излучающих
с
по
-
верхности
, 
могут
быть
объединены
на
одном
чипе
, 
что
, 
есте
-
ственно
, 
создает
множество
возможностей
их
практического
использования
в
дисплеях
и
системах
обработки
оптических
сигналов
. 
Рис
. 10.11. 
Схема
устройства
лазера
с
краевым
излучением
на
самоор
-
ганизованных
квантовых
точках
(
на
вставке
показан
зародышевый
слой
с
пирамидальными
квантовыми
точками
) 
Представленные
на
рис
. 10.12 
значения
плотности
порого
-
вого
тока
для
разнообразных
лазерных
структур
за
последние
десятилетия
показывают
, 
что
на
лазерах
с
квантовыми
точками
уже
достигнуты
самые
низкие
значения
порогового
тока
. 
Сравнение
идеальных
систем
разной
размерности
с
кван
-
товой
локализацией
по
коэффициенту
усиления
показывает
(
рис
. 10.13), 
что
квантовые
точки
позволяют
добиться
макси
-
мальной
остроты
пиков
спектра
при
самых
высоких
значениях
коэффициента
усиления
. 
Линия
излучения
идеального
лазера
на
квантовой
точке
должна
быть
исключительно
узкой
. 
Узкий
энергетический
интервал
излучения
лазера
на
квантовых
точках
не
зависит
от
температуры
, 
т
.
е
. 
квантовые
точки
обеспечивают
температурную
стабильность
и
не
требуют
охлаждения
. 

---

252 
Рис
. 10.12. 
Плотность
порогового
тока
для
лазерных
структур
с
различной
локализацией
, 
достигнутая
за
последние
десятилетия
Рис
. 10.13. 
Спектр
коэффициентов
усиления
для
лазеров
на
идеальных
объемных
полупроводниках
, 
квантовых
ямах
,
квантовых
проволоках
и
квантовых
точках

---

253 
Явным
преимуществом
лазеров
на
квантовых
точках
явля
-
ется
и
то
, 
что
их
электронная
структура
может
управляться
путем
подбора
материала
, 
а
также
размеров
и
формы
точек
. 
Однако
на
-
стоящий
прогресс
в
создании
лазеров
на
квантовых
точках
связан
с
развитием
методов
создания
квантовых
точек
на
основе
так
на
-
зываемой
самоорганизации
(
самосборки
). 
Эта
область
нанотехно
-
логий
продолжает
оставаться
одной
из
перспективных
. 
Прорыв
в
лазерной
физике
ознаменовало
появление
воло
-
конных
 
лазеров
, 
выходная
мощность
которых
за
последние
10 
лет
была
увеличена
с
нескольких
сотен
ватт
до
нескольких
десятков
киловатт
(
рис
. 10.14). 
На
Всероссийской
конференции
по
воло
-
конной
оптике
в
2011 
году
сообщалось
о
передаваемой
мощности
50 
кВт
. 
Беспрецедентно
стремительный
рост
выходной
мощности
волоконных
лазеров
сдерживается
не
возможностями
реализации
, 
а
наличием
платежеспособного
спроса
. 
Рис
. 10.14. 
Рост
максимальной
выходной
мощности
непрерывных
волоконных
лазеров
за
последние
10 
лет
Разработаны
эффективные
волоконные
лазеры
на
основе
редкоземельных
элементов
– 
неодима
, 
европия
, 
гольмия
и
тулия
, 
генерирующие
в
ближней
инфракрасной
области
спектра
. 
Спек
-

---

254 
тральные
области
лазерной
генерации
существующих
эффектив
-
ных
редкоземельных
волоконных
лазеров
не
перекрывают
спек
-
трального
диапазона
1150–1500 
нм
(
рис
. 10.15), 
перспективного
, 
в
частности
, 
для
волоконно
-
оптических
систем
связи
. 
При
этом
наибольшую
ширину
спектральной
области
имеют
висмутовые
 
волоконные
 
лазеры
на
основе
алюмосиликатного
стекла
. 
Рис
. 10.15. 
Спектральные
области
генерации
волоконных
лазеров
на
редкоземельных
элементах
и
потенциальная
область
генерации
висмутового
волоконного
лазера
До
недавнего
времени
при
обработке
материалов
(
резка
металлических
и
пластиковых
листов
, 
сварка
, 
сверление
и
т
.
д
.) 
в
основном
применялись
мощные
СО
2
-
лазеры
, 
однако
они
гро
-
моздки
, 
не
имеют
волоконного
выхода
, 
не
обладают
высокой
эффективностью
и
качеством
пучка
, 
то
есть
по
этим
параметрам
уступают
волоконным
лазерам
. 
Кроме
того
, 
на
волне
излучения
СО
2
-
лазера
(10,6 
мкм
) 
металлы
являются
хорошим
зеркалом
, 
что
снижает
эффективность
их
обработки
. 
Коэффициент
отражения
от
металлов
падает
по
мере
того
, 
как
укорачивается
длина
вол
-
ны
. 
И
с
этой
точки
зрения
более
предпочтительны
иттербиевые
 
волоконные
 
лазеры
, 
генерирующие
на
волне
длиной
1 
мкм
. 
Ожида
-

---

255 
ется
, 
что
по
мере
дальнейшего
совершенствования
элементной
базы
и
снижения
стоимости
лазерных
диодов
, 
используемых
в
качестве
источников
накачки
, 
волоконные
лазеры
будут
вы
-
теснять
СО
2
-
лазеры
из
сферы
обработки
материалов
.