4.5 Газовые лазеры

Газовый лазер – общее название лазеров с газообразной лазерной средой. Существует множество видов таких лазеров. Они очень удобны в работе, поэтому большинство из них коммерческие. Разновидности и параметры газовых лазеров иллюстрирует рис. 4.10.

Рис. 4.10. Разновидности и параметры газовых лазеров

Лазеры на благородных газах генерируют с помощью энергетических уровней газов, подобных гелию. В гелий-неоновом лазере (в соответствии с рис. 4.11) для генерации увеличивают энергию части атомов неона, возбуждая газовую смесь тлеющим разрядом. Гелий добавлен в смесь для облегчения возбуждения. Атомы неона имеют более 120 спектральных линий – от 0,594 мкм в видимой до 133 мкм в инфракрасной области спектра. Коммерческие лазеры дают спектральную линию 0,6328 мкм и выходную мощность от одного до нескольких десятков милливатт. Они широко распространены.

Рис. 4.11. Гелий-неоновый лазер

Ионный лазер осуществляет генерацию возбуждением рабочего тела до уровня ионизации. Ионные лазеры на инертных газах (аргон, криптон или ксенон) могут давать непрерывное излучение в видимом диапазоне с высокой выходной мощностью. Обычно у коммерческих лазеров на аргоне две мощные линии – 0,4880 мкм (синяя) и 0,5145 мкм (зеленая). Мощность каждой из них несколько ватт. Для возбуждения применяют дуговой разряд, имеющий высокую плотность и малое напряжение. У таких лазеров КПД мал, примерно 0,1 %, источник питания больших размеров. Лазерная трубка должна выдерживать разряды с большой силой тока, что увеличивает ее цену.

Лазеры на металлических ионах работают за счет ионного возбуждения, возникающего в положительной колонне разряда смеси газа – гелия или неона – с парами металла. Используют такие металлы, как кадмий, цинк, селен, теллур, ртуть. В частности, коммерческий гелий-кадмиевый лазер имеет спектральные линии, 0,3250 мкм (ультрафиолетовая) и 0,4416 мкм (зеленая).

Молекулярные лазеры работают за счет вращательной и колебательной энергии молекул. Лазер на углекислом газе излучает в инфракрасной области - 10,6 и 9,6 мкм. У него высокий КПД, составляющий несколько десятков процентов, и высокая выходная мощность. Производят различные модификации таких лазеров. Для их возбуждения используют химические реакции или электрический разряд. Чтобы получить высокую выходную мощность, поток газа разгоняют до высоких скоростей, или производят поперечное возбуждение, или осуществляют разряд, управляемый электронными пучками. Лазер на угарном газе излучает на линии 5 мкм и имеет высокий КПД – свыше 40 %. Импульсный лазер на азоте дает излучение в ультрафиолетовой области (0,3371 мкм) с мощностью от нескольких сотен киловатт до единиц мегаватт.

К газовым лазерам относятся также и эксимерные лазеры.

4.6 Устройство и принцип действия полупроводникового инжекционного моно лазера

В полупроводниковых лазерах активным элементом являются кристаллы полупроводника, образующие резонатор и возбуждаемые либо инжекцией тока через p-n – переход, либо пучком электронов. Соответственно различают инжекционные лазеры и лазеры с электронным возбуждением.

В полупроводниковых моно лазерах индуцированные переходы происходят между занятыми электронными состояниями в зоне проводимости и вакантными состояниями в валентной зоне в области p-n – перехода. Одно из главных отличий полупроводникового лазера от атомных молекулярных состоит в том, что эти переходы происходят не между двумя узкими энергетическими уровнями, а между состояниями, распределенными по энергии.

Первые инжекционные лазеры были созданы из арсенида - галлия в форме параллелепипеда с планарным диффузионным р-n – переходом, расположенным перпендикулярно двум противоположным торцам полупроводникового кристалла, как показано на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Структура инжекционного моно лазера

Поскольку показатель преломления полупроводникового кристалла больше, чем у воздуха, его сколотые торцевые поверх­ности действуют как зеркала, так что генерация излучения и его усиление происходит внутри резонатора Фабри-Перо. При определенном пороговом уровне усиление превышает потери в объёме и на зеркалах для некоторой моды и лазер начинает генерировать.

При включении инжекционного лазера в прямом направлении и малом токе накачки, как и в СИД возникает спонтанное излучение. Из множества спонтанных фотонов лишь некоторые из них отразятся от зеркала и пройдут в плоскости активного слоя. При увеличении тока накачки растет число электронов на верхнем энергетическом уровне в зоне проводимости (говорят, что имеет место «инверсная населенность уровня»). При этом спонтанный фотон вызывает переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, где происходит рекомбинация и появляется стимулированный фотон (СТФ).

Энергия СТФ, направление его движения, фаза, в точности совпадают с соответствующими параметрами спонтанного фотона (СПФ). Таким образом, вместо одного фотона появились два. Если ток накачки достиг некоторого значения, называемого «пороговым», этот процесс нарастает лавинообразно: два фотона порождают четыре, четыре -16, и т.д. В резуль­тате мощность излучения резко возрастает (ватт - амперная характеристика инжекционного лазера приведена на рис. 4.13).

Рис. 4.13. Ватт – амперная характеристика инжекционного лазера

Часть мощности излучения выводится наружу через оба зеркала (один из выходов инжекционного лазера может быть использован для контроля, с помощью фотодиода, из­лучаемой мощности). Заметим, что величина порогового тока зависит от температуры окружающей среды. При увеличении температуры мощность излучения на заданной длине волны резко падает (в соответствии с рис. 4. 13).

Рассмотрим теперь особенности спектральной характеристики инжекционного лазера. При малых токах накачки имеет место спонтанное излучение, поэтому спек­тральная характеристика инжекционного лазера повторяет здесь аналогичную характеристику число мод в нем резко уменьшается, и характеристика имеет вид как на рис. 4.14. Ширина спектральной линии этой характеристики много меньше, чем ширина спектральной линии СИД. По этой причине при ор­ганизации связи по одномодовым волокнам в качестве источника излучения применяют только инжекционные лазеры, так как при этом резко уменьшается хроматическая дисперсия в ОВ и возрастает дальность связи.

Рис. 4.14. Спектральная характеристика инжекционного лазера

Полупроводниковые лазеры работают в широком спектральном диапазоне – от 0,33 мкм до 31 мкм. Лучшие параметры достигаются при охлаждении. Инжекционные лазеры работают в импульсном и непре­рывном режимах, а лазеры с электронным возбуждением в импульс­ном.

Мощность излучения полупроводникового лазера зависит от величины тока, протекающего через pn переход. Пороговая плот­ность тока накачки для серийно выпускаемых лазеров на составляет (2  10³  10⁴) А/см². При этом КПД составляет около 1%. Коэффициент полезного действия полупроводниковых охлаждаемых лазеров в импульсном режиме доходит до (50  80), однако необходимость охлаждать кристалл до 77 и даже 4 К заметно услож­няет конструкцию лазера и сокращает срок его службы (до единиц иногда десятков часов).

В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением за счет использования большей, чем в инжекционных лазерах, части активного вещества можно достичь больших импульсных мощностей с небольших объемов. Такие лазеры работают в основном с охлаждением, хотя есть излучатели работающие, и при комнатной температуре. Конструктивно они представляют собой электровакуумный прибор, внутри которого устанавливается активный элемент – ми­шень на хладопроводе, а управление электронным пучком, бомбар­дирующим мишень, производится с помощью электромагнитной и электростатической системы. Такие лазеры на на  = 0,49 мкм дают импульсы мощностью 200 кВт, длительностью 3 нс при ком­натной температуре и имеют КПД около 1 .

В переносных оптических системах находят применение мало­габаритные полупроводниковые лазеры. Некоторые инжекционные ла­зеры имеют длину около 1 мм при толщине перехода (35) мкм, вы­ходная мощность в импульсном режиме достигает (1020) Вт, а КПД  50 . Они позволяют осуществлять модуляцию излучения в широком диапазоне изменением тока накачки. К недостаткам таких лазеров следует отнести большой угол расходимости пучка, импульсный ре­жим работы и широкую спектральную полосу генерируемого излучения.