6.6.3. Полупроводниковые лазеры

Преимущества полупроводниковых лазеров:

• Высокий КПД (≈ 50%)

• Малые габариты

• Большая мощность

• Совместимость длины волны с оптическим волокном

• Регулирование длины волны

• Малое время включения-выключения

• Удобство управления (временными характеристиками включительно);

Недостатки полупроводниковых лазеров:

- Плохое качество излучения — высокая ассиметричная расходимость

Принципы устройства и работы полупроводниковых лазеров

Лазерная генерация в п/п лазерах возможна в активной среде, где преобладает излучательная рекомбинация, когда возникает неравновесное состояние с инверсией населенностей — большинство частиц находятся в верхней зоне (проводимости).

Существуют различные способы возбуждения в п/п лазерах. Для того, чтобы получить инверсию населенностей применяют: инжекцию носителей в p-n переход, возбуждение электронов пучком быстрых электронов, оптическую накачку, прямое электрическое возбуждение — пробой полупроводниковой структуры и т.д. Наибольший интерес представляет первый тип - инжекционные лазеры.

Инверсия населенностей создается здесь приложением электри­ческого напряжения в прямом направлении (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Зонная структура п/п вблизи p-n перехода: а-без смещения; б-со смещением

Рис. 6.14. Изображение двойной слоистой гетероструктур

Рис. 6.15. Стандартная конструкция полупроводникового лазера

Рис. 6.16. Параметры лазерного пучка при обработке материалов

6.6.4. Волоконные лазеры

Представляют собой конструктивную разновидность тведотельных лазеров, генерирующих на стеклянных волокнах твердотельных активных материалов. Однако в связи с развитием методов диодной накачки на данном этапе их целесообразно выделить в отдельную группу. Волоконный лазер осуществляет активное когерентное суммирование излучения полупроводниковых (ПП) лазеров накачки (КПД преобразования в когерентное излучение ≈ 90%), и таким образом вбирает в себя все достоинства ПП лазеров, не имея их недостатков.

Преимущества:

− высокий КПД до 40 % и более от розетки;

− высокое качество (малая расходимость) излучения — до M² ≈ 1.05 при выходной мощности 100 Вт;

− возможность генерации как непрерывного, так и коротких (до нс) импульсов излучения с большой частотой (20 кГц и более);

− рекордно большие мощности излучения — до 50 кВт ( в 2005 г.) и это не предел;

− эффективность генерации на многих длинах волн (1.06 мкм (Nd, Yt), 1.56 мкм (Er), 1.75–2.0 мкм (Tu) и др.) для обработки материалов (1.06 мкм), медицины (1.75–2.0 мкм) и связи (1.56 мкм);

− удобство электрического управления временными и переключательными характеристиками;

− электрическая (по существу) накачка (диодов) электроэнергией с низким напряжением;

− естественная волоконная доставка излучения;

− высокая надежность и большой ресурс работы более 1 млн. часов;

− высокая стабильность параметров ±2%, устойчивость к механическим, тепловым, загрязненности окружающей среды (пыли) и другим воздействиям;

− высокая пространственная и спектральная яркость;

− малые массогабаритные размеры.

Мощные волоконные лазеры на иттербии ( λ = 1050 − 1080 нм)

Основные характеристики:

Непрерывный режим

− выходная мощность — до 50 кВт;

− возможна модуляция выходного излучения с частотой 5 кГц;

− КПД — 25%;

− выход — волокно 200 мкм;

− качество пучка — M² = 2.5 − 6 мрад;

− срок службы — > 100 килочасов;

− габариты — 86х81х150 см;

− вес — 100 кг при 10 кВт.

Импульсный режим:

− средняя выходная мощность — до 200 Вт;

− длительность импульса — 30–100 нс;

− энергия в импульсе — 0.5–2 мДж;

− частота следования импульсов — 20–100 кГц

− волоконный выход;

− внешнее цифровое управление;

− компактный с воздушным охлаждением;

− коллимированный выходной пучок с M² = 1.4 − 5 ;

− срок службы — > 100 килочасов;

− КПД — более 10 %.