2.  ЛАЗЕРНАЯ  ТЕХНИКА

 

 

     Основным источником энергии, обеспечивающим процесс обработки,  является оптический квантовый генератор - источник  мощного когерентного излучения со всеми его замечательными  свойствами.  В мире существует огромное множество лазеров,  работающих на разных активных средах, использующих различные способы накачки (инвертирования) этих сред,  отличающихся размерами,  данными выходной мощности или энергии и характеристиками самого  излучения. В  лазерах используются различные режимы генерации:  РСГ,  РМД , люминесценция и т.д. В настоящее время основными лазерами, которые хорошо разработаны и нашли широкое применение,  являются следующие типы лазеров:  1) твердотельные (на кристаллах и стеклах); 2) газовые;  3) лазеры на красителях;  4) химические; 5) полупроводниковые;  6) лазеры на центрах окраски; 7) лазеры на свободных электронах; 8) рентгеновские. На рис.2.1 приведены диапазоны длин волн,  перекрываемые существующими лазерами.

 

 

Рис. 2.1. Диапазоны длин волн генерации, перекрываемые действующими лазерами (кроме рентгеновских)

 

     Однако следует заметить,  что существующие лазеры не перекрывают  указанные диапазоны непрерывно,  кроме лазеров на красителях и центрах  окраски.  Помимо длины волны имеются и другие параметры лазеров, которые меняются в широких пределах. Так, выходная мощность может  меняться  от  милливаттных  уровней  до  нескольких  мегаватт  в  мощных непрерывных лазерах и до 100 ТВт в импульсных лазерах.  Аналогично  можно получать длительности лазерных импульсов от миллисекунд до  фемтосекунд в лазерах с синхронизацией мод. Габариты также могут изменяться в широких пределах  (от  нескольких микрон до десятков метров). Такое разнообразие является удивительной особенностью лазерной отрасли и приводит к большому  разнообразию их современных применений.

     В этом разделе будут описаны только три типа лазеров, физические принципы работы которых характерны для большого класса лазеров и которые нашли самое широкое применение в лазерной  технологии. Это  твердотельные,  газовые  и  полупроводниковые  лазеры.  

 

     2.1.  ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ  ЛАЗЕРЫ

 

     Твердотельными называются  лазеры,  активной  средой  которых является либо диэлектрический кристалл,  либо стекло.  В  твердотельных лазерах активными центрами выступают примесные ионы, введенные в кристалл. Чаще всего эти ионы принадлежат одной из групп переходных металлов,  например  Cr³⁺  или  Nd³⁺.  В этих ионах используемые для генерации переходы включают электронные уровни незаполненных внутренних оболочек,  поэтому эти переходы слабо подвержены влиянию кристаллического поля,  а время спонтанной релаксации  попадает в миллисекундный диапазон.  Обе указанные особенности приводят к следующим важным последствиям для лазерной генерации.  Во-первых,  безизлучательные каналы релаксации слабы, а  потому время жизни верхнего уровня  t_н, заполненного в  результате инвертирования электронами, несколько  больше  времени спонтанной релаксации, хотя и попадает тоже в миллисекундный диапазон. А так как критическая  скорость  накачки  V_c обратно пропорциональна  t_н   (V_c = 1/t_н ) , то для ионов Cr³⁺ , например,  V_c  оказывается не слишком критичной, что позволяет обеспечить надежную накачку и лазерную генерацию. Ситуация для четырехуровневого  Nd³⁺   похожа: здесь также параметр  V_c  имеет низкие значения. Поэтому названные ионы позволяют легко осуществить лазерную генерацию и наиболее часто используются в  современных твердотельных лазерах.

     Для создания "заселенности" верхних уровней (накачки  активной  среды)  используют  ксеноновые импульсные лампы.  Технически система оптической  накачки  выполнена  в виде  отражателя  3  (рис.2.2)  в корпусном исполнении,  внутри отражатель имеет форму эллипса таким образом,  что остальные детали:  активный элемент  1  (активная среда),  лампы накачки  2  находятся в фокусе эллипса. Оптическим резонатором служат противоположные    полированные  грани  активного  элемента   ( зеркала),

на которые нанесен слой металла.

 

 

Рис. 2.2. Схемы оптической накачки  в твердотельных лазерах:

а - схема  одно – и б - двухлампового отражателя;

1 - активный элемент; 2 -лампа  накачки; 3 - отражатель

 

     В качестве активного элемента в первом лазере  использовался рубин  (Al₂O₃,  в  котором  ряд  ионов алюминия замещены ионами  Cr³⁺). Рубиновый лазер является примечательным примером  трехуровневого лазера. В настоящее время эти приборы вытесняются  лазерами на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната с добавкой  ионов неодима  (Nd: YAG)  или на стекле с  Nd.

 

     2.1.1.  НЕОДИМОВЫЕ  ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ  ЛАЗЕРЫ  (Nd : YAG)

 

     Неодимовые лазеры - самые популярные из твердотельных лазеров. Активной средой в них является кристалл  Y₃ Al₅ O₁₂,   в котором часть ионов  Y³⁺  замещена ионами  Nd³⁺  ( ~  1 ат.% ).

     На рис.2.3 представлена упрощенная схема энергетических уровней  Nd: YAG  и возможных переходов трех электронов внутренней  4f - оболочки  ионов  неодима.  На их  энергетические уровни не влияет кристаллическое поле из-за экранизации электронами внешних ( 5s²  и 5p⁶ )  оболочек.  Поэтому эти энергетические уровни относительно узки. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм.  Эти полосы безызлучательно  связаны  с  уровнем   ⁴ F_3/2 (E₃)  быстрой  релаксацией    (~ 10^-7 с). Из всех возможных переходов наиболее  медленный - это переход  ⁴ F_3/2  -  ⁴ I _11/2 .    Поэтому уровень   ⁴  F _3/2    (Е₃)  запасает  большую часть энергии накачки и хорошо подходит на роль  верхнего  лазерного  (рабочего)  уровня.  Поскольку  уровень   ⁴ I_11/2   связан  быстрой   безызлучательной  релаксацией в основное состояние  ⁴ I_9/2   (t =  10^-9  c), то в хорошем  приближении  уровень  ⁴I_11/2  можно считать пустым, то есть этот уровень хорошо подходит на роль нижнего (рабочего)  лазерного уровня  (Е₂).  Из сказанного ясно, что переход  ⁴F_3/2 (E₃) -  ⁴ I_11/2  (E ₂)  хорошо подходит для получения лазерной генерации  в  четырехуровневой  схеме. Этот  переход имеет длину волны  l = 1,064 мкм  (ближний  ИК- диапазон).

 

 

Рис. 2.3. Упрощенная  схема энергетических уровней кристалла Nd:YAG

(обозначения  слева  в термах рис. 1.1, обозначения уровней получены из теоретико- 

группового   анализа   состояний ионов   в  кристалле)

 

      Большое время жизни  верхнего лазерного  уровня  (Е₃)  c  t = 0,23 мс  позволяет  успешно работать в режиме  модулированной  добротности.  Nd: YAG - лазеры  могут работать как в непрерывном, так и  в импульсном  режиме. При  работе в импульсном режиме для  накачки используются ксеноновые лампы,  в непрерывном - криптоновые.  Размеры стержней  такие же, как и у рубинового лазера.  Выходные параметры:  1) в непрерывном  многомодовом  режиме  W_л - до 500 Вт;  2) в импульсном режиме с большой частотой повторения импульсов (50 Гц)  - W_с  до 200 Вт,  3)  в режиме  РМД  W_и  достигает до 50 МВт,  4) в режиме синхронизации мод до  20 нс  КПД  составляет 1 - 3 %.  Такие лазеры нашли применение  для военных целей,  в науке (лазеры с РМД), в медицине, а наиболее широкое применение - в обработке  материалов (резка, сверление, сварка, осаждение металлов и т.д.).

 

     2.1.2.  ЛАЗЕРЫ  НА  СТЕКЛЕ  С  НЕОДИМОМ

 

     В этих лазерах наиболее интенсивный лазерный  переход  имеет длину  волны  l = 1,06 мкм,  однако,  ширина перехода примерно в 30 раз шире, чем в  Nd: YAG - кристалле. Эффективность накачки стержня из  стекла в 1,6 раза  больше, чем в  Nd: YAG,  по двум  причинам:  1) полосы поглощения  в   стекле с  Nd   шире  из-за   неоднородного   кристаллического  поля стеклянной  матрицы;  2) концентрация ионов Nd³⁺   примерно в 2 раза  выше, чем в кристалле  Nd: YAG.  Активный элемент из стекла можно  сделать намного легче и больших размеров. Однако лазеры на стекле с Nd  имеют низкую скорость повторения  (<5 Гц)  из-за низкой  теплопроводсти стекла, что ограничивает область их применения. Выходные параметры сравнимы с  Nd:YAG-лазерами. Однако для специальных применений (например, в термоядерном синтезе и других)  создана лазерная  система, дающая импульсы с пиковой мощностью до 100 Твт  и  полной энергией   » 100 кДж.

 

     2.2.  ГАЗОВЫЕ  ЛАЗЕРЫ

 

     В газовых лазерах активной средой являются газ,  смесь газов или смесь газа с парами металлов низкого давления. Энергетические уровни в газах узкие,  так как механизмы уширения,  действующие в газах,  слабее, чем в твердых телах,  а поскольку  в такой активной  среде  отсутствуют широкие полосы поглощения,  то оптическая накачка с ее широким спектром излучения  не эффективна.  Газовые лазеры накачиваются электрически, прохождением через среду электрического тока (тлеющим разрядом).  В непрерывном  режиме  работы активная среда возбуждается стационарным тлеющим разрядом,  в импульсном - импульсным разрядом  высоковольтного источника  с  частотным повторением импульсов  » 10³ Гц.  Хотя в принципе существуют и другие пути накачки: метод газодинамического расширения, химической накачки, излучением другого лазера и т.д.

     В газе из возбужденного состояния частица может  перейти  на более низкие уровни,  кроме лазерной релаксации,  как минимум четырьмя другими способами (за счет столкновений с электронами, другими атомами, стенками сосуда и т.д.).  Поэтому процесс создания инверсии населенности  в газовых средах намного сложнее,  чем в твердых телах.  Вообще говоря, инверсия населенности возникает при выполнении одного  или  двух фундаментальных условий:  1) скорость возбуждения верхнего лазерного уровня больше,  чем нижнего;  2) скорость  релаксации верхнего уровня меньше,  чем нижнего.  Последнее условие необходимо для реализации непрерывной генерации.

     Большой класс лазеров работает на нейтральных атомах  инертных  газов.  Вне сомнения, наибольшее значение среди них приобрел гелий-неоновый  (He - Ne)  лазер,  с наиболее  часто  используемыми линиями  генерации  l = 0,633  (красная)  и  0,543 мкм  (зеленая). Основное преимущество  такого  типа  приборов - это излучение  света  в  видимой  области.

В лазерной технологии  этот прибор используется главным образом для юстировки технологических лазеров, лазерных  технологических  установок  для  обработки  материалов и  как  источник  видимого  света.

     В последнее время разработаны и находят все большее  применение лазеры,  работающие на парах металлов.  Как правило,  все они работают в видимой области.

     Самым большим  классом  газовых лазеров являются приборы,  в основе работы которых лежат переходы между энергетическими уровнями молекулы (молекулярные газовые лазеры). В зависимости от типа участвующего в генерации перехода молекулярные лазеры делятся на три класса.  Во-первых,  это лазеры на колебательно-вращательных переходах, (это  переходы  между  колебательными уровнями одного и того же электронного (основного)  состояния).  Диапазон   генерации  лежит в пределах  l = 5-300 мкм.  В настоящее время  из  этого класса наиболее важное значение приобрели квантовые генераторы,  работающие на молекулах углекислого газа, так называемые   CO₂- лазеры.  Во-вторых,  существуют лазеры, работающие  на  электронно-колебательных  (азотные  лазеры,  эксимерные).  В-третьих, - лазеры на  чисто  вращательных  переходах с длиной волны генерации,  попадающим  в  далекий  ИК- диапазон (25 мкм -1 мм). 

 

     2.2.1.  СО₂ - МОЛЕКУЛЯРНЫЕ   ГАЗОВЫЕ   ЛАЗЕРЫ

 

     В этих  генераторах  используется  специальная  смесь  газов СО₂ ,  N₂ и He.  Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы  CO₂,  а   N₂  и   He  служат  для  повышения  КПД. Эти лазеры сейчас являются одними из самых мощных  (примерно 80 кВт) и наиболее эффективных  (КПД  ~ 15 - 20%).  Длины волн генерации составляют  10,6 и 9,5 мкм.

     На рис.2.4 приведена  схема  энергетических  уровней  основных электронных состояний молекулы  СО₂.  Эта молекула имеет три невырожденные колебательные моды  (рис.2.5): 1) симметричную валентную моду  (u₁),  2) деформационную моду   (u₂),  3) асимметричную валентную моду  (u₃)  и описывается квантовыми числами  n₁,  n₂  и  n₃,  которые определяют число  квантов в  каждой  колебательной  моде.

 

 

Рис. 2.4. Колебательные уровни основных  электронных  состояний  СО₂ и переход  в молекуле N₂ (обозначения уровней означает колебательную моду  и число  квантов  в каждой моде. Так, запись  02⁰0  означает, что уровень относится  к моде  2 (см. рис. 2.5) и имеет два кванта. Переход  в N₂ помогает  более  эффективной накачке энергетических  уровней  СО₂.

 

     Мода 2  соответствует  уровню  с наименьшей энергией, и тогда генерация идет на переходах   00⁰1 -  10⁰0,  что соответствует длине волны  генерации  (10,6 мкм)  и  00⁰1 - 02⁰0   (9,6 мкм).  Накачка на верхний уровень происходит непосредственно  через столкновение молекулы с электронами:   е + СО₂  (000) ®  е  + СО₂  (001)   ( при  этом  молекула  остается в основном состоянии) и через  резонансную передачу энергии от молекулы N₂, так как высокоэнергетические колебательные моды N₂  находятся почти на одном энергетическом уровне соответствующей моды  СО₂.

 

 

         Рис.2.5. Три фундаментальные моды колебаний молекулы СО₂:

         u₁  - симметричная  валентная мода;  u₂ - деформационная  мода;

         u₃ - асимметричная валентная зона.

 

      Конструктивно  СО₂ - лазеры  разделяются на семь типов и отличаются по скорости и направлению прокачки газовой среды, по величине ее давления,  а также механизмами и способами  накачки.  Все указанные  лазеры имеют общую особенность, а именно: высокий   КПД   (15-20%), который является следствием  большого квантового выхода  (~40%)  и высокой эффективности процесса накачки. Рассмотрим  пять основных типов лазеров.

 

     СО₂ - лазеры с медленной продольной прокачкой

 

     В таких  системах газовая смесь медленно прокачивается вдоль охлаждаемой  лазерной  трубки  для удаления  продуктов диссоциации, например СО,  и отвода тепла через стенки резонатора. Главным ограничением этого лазера является зависимость выходной мощности от единицы длины разряда  (от длины резонатора  -  l ):

     W_л   »  I_p × p × D² × l,                                                                (2.1)

здесь D - диаметр активной среды,  l - ее длина, p - давление газа. При оптимальных значениях  I_р  и постоянном значении  p × D = 22,5 мм.рт.ст.×см  величина выходной мощности прямо зависит от длины резонаторной трубки. Лазеры данной конструкции имеют относительно низкую мощность (50-100 Вт),  для  увеличения  которой  их  делали очень длинными  - до 100 м. Впрочем, этот недостаток удалось устранить, изготовив резонатор в свернутом виде,  то есть в виде многотрубной укладки, а электроды - в виде щетки  или  гребенки по всей длине трубки. В этом случае удалось значительно сократить расстояния между электродами, а это, в свою очередь, позволило увеличить давление рабочей смеси (так как для поддержания устойчивого разряда в трубке требуется выполнение условия   p × l =  const)  и тем самым увеличить число активных центров. Такие усовершенствования привели к уменьшению размеров лазеров в сотни раз при  сохранении мощности.

     В лазерной технологии квантовые генераторы такой конструкции используются  для  подгонки  резисторов,  для  резки керамических пластин в электронной промышленности,  а также для сварки  тонких металлических пластин (<1 мм).

 

     СО₂ - лазеры с быстрой продольной прокачкой

 

     В таких конструкциях газовая смесь прокачивается  со  сверхзвуковой скоростью, что дает возможность охлаждать ее путем быстрого удаления смеси из рабочей зоны в охладитель и тем самым преодолеть ограничение на выходную мощность.  Прокачка с большой скоростью означает увеличение количества активных центров,  что позволяет увеличить ток   I_р  и тем самым  W_л  (так как W_л ~ I_р).  В современных лазерах достигнуты параметры по  мощности  ~ 1 кВт/м и больше.  За пределами резонатора газ не только охлаждается, но и проходит необходимую генерацию:

       2 СО + О₂ = 2 СО₂                                                                          (2.2)

в присутствии катализатора.  В этом режиме лазер работает практически в автономном режиме.

       В  настоящее  время   СО₂ - лазеры  с  быстрой  продольной  прокачкой

(мощностью 1-3 кВт)  нашли широкое применение во многих операциях по обработке и термообработке материалов и, в частности, для лазерной резки металлов (с толщиной до нескольких миллиметров).

 

     Отпаянные  СО₂ - лазеры

 

     В отпаянных лазерах для регенерации молекул  СО₂  из  СО в газоразрядную  камеру  помещается  катализатор,  для чего в газовую смесь помещают небольшое количество воды (~ 1%).  Регенерация идет по следующей реакции:

      СО* +  ОН  ® СО₂* + Н                                                      (2.3)

(СО * и  СО₂* - колебательно-возбужденные молекулы).  Иногда роль катализатора выполняет нагретый до 300 ⁰С  никелевый  катод. Долговечность этих лазеров  » 10⁴ часов,  W_л = 60 Вт/м. Отпаянные  СО₂ - лазеры   применяют для механической обработки материалов микрорезанием.

 

     СО₂ - лазеры  с  поперечной  прокачкой  (ТЕ - лазеры)

 

     Снять ограничения на мощность,  присущую лазеру с  медленной продольной прокачкой,  можно, если прокачивать газовую смесь перпендикулярно разряду.  Если смесь прокачивать достаточно быстро, то можно решить проблему с охлаждением.  В этом типе лазеров мощность с единицы длины разряда достигает  нескольких киловатт на метр.  Оптимальное общее давление  ~ 100 мм.рт.ст.  (что на порядок больше, чем в системах с продольной прокачкой). В связи с этим  схема  с продольным разрядом,  применяемая в лазерах, описанных выше неприемлема, так как для выполнения условия   

                  U/p = const                                                              (2.4)

(U -  приложенное  напряжение)  потребовались  бы   электрические  поля » 100-500 кВ/м.  Поэтому делают так, чтобы разряд протекал перпендикулярно оси резонатора.  Эти лазеры в литературе получили название "ТЕ-лазеры".   ТЕ СО₂ - лазеры  обладают  высокой выходной  мощностью   (1-20 кВт) и широко применяются в технологических операциях, связанных с обработкой металлов (резание, сварка, поверхностная закалка,  поверхностное легирование металлов и т.д.,  и имеют довольно простую конструкцию (см.рис.2.6).

 

    Рис.2.6. Схематическое представление  простого  СО₂ - лазера c попереч-

    ной  прокачкой  и  разрядом  (ТЕ-лазера)

 

 

СО₂  - лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением

(ТЕА - лазеры)

 

     В этом лазере претворена в жизнь идея о том, как еще больше увеличить  р по сравнению с  ТЕ СО₂ - лазерами. Для этого наряду с увеличением давления рабочего газа к электродам прикладывают импульсное напряжение   ( t = 10^-6 с).  В этом случае исчезает опасность появления дугового разряда,  так как не успевают развиться неустойчивости. Рабочее давление увеличивают  вплоть до атмосферного.  Эти лазеры называются   ТЕА - лазерами. Энергосъем с единицы объема разряда составляет 10-50 Дж/л  и  сегодня ТЕА-лазеры являются одними из мощнейших генераторов.  Принципиальным решением при разработке этой системы является создание  определенного  предварительного состояния рабочей среды,  называемого предыонизацией,  перед основным возбуждающим систему  импульсом. Предыонизация  осуществляется  одним  из трех способом:  1) УФ - предыонизация за счет фотоионизации составляющих  рабочей  смеси  искровым пробоем  (рис.2.7);  2) предыонизация электронным (импульсным) пучком;  3) -  коронная предыонизация за счет  использования коронного разряда.  В зависимости от  частоты  импульсов  рабочая  среда может прокачиваться или не прокачиваться.

 

 

Рис. 2.7. Схематическое представление ТЕА СО₂ - лазера (вид вдоль лазерной оси) с использованием УФ-излучения от искрового источника для предионизации газа: 1- искровой источник питания; 2 - искровой источник УФ; 3 - разрядные электроды; 4 - импульсное включение; 5 - разрядный конденсатор 20 нф; 6 - заднее зеркало; 7 - газовая смесь

 

      Лазеры такого типа (как источники мощного импульсного излучения) нашли  применение  в скоростных методах обработки материалов,  когда импульсный характер пучка дает преимущества,  например,  импульсная  маркировка,  импульсная сварка  и т.д..

 

     2.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ  ЛАЗЕРЫ

 

     До сих пор обсуждались лишь атомарные и молекулярные  системы, энергетические  уровни  которых  относятся к отдельным атомам или молекулам.  В полупроводниковых же лазерах  волновая  функция электронов определяется  всем  кристаллом полупроводника в целом. Принцип действия полупроводникового лазера можно легко  понять  с помощью  рис.2.8.

 

 

Рис. 2.8.  Принципиальная схема полупроводникового  лазера. С-зона проводимости; V- валентная зона,  E_q - ширина запрещенной зоны

 

     Допустим,  при  Т = О К  валентная зона  будет заполнена полностью электронами,  а зона проводимости пуста. Предположим далее, что каким-то  образом электроны из валентной зоны будут заброшены в зону проводимости   (то есть  осуществлена инверсия состояний), где они за время     t = 10^-13 c  заполнят все нижние уровни, а оставшиеся электроны валентной зоны  также  заполнят  все  незанятые  нижние уровни так, что вершина валентной зоны будет состоять из дырок (рис.2.8,б). При сваливании электронов назад в валентную зону (рекомбинация с  дырками) испускаются фотоны (рекомбинационное излучение). А в случае вынужденного рекомбинационного излучения и при наличии подходящего резонатора возникает лазерная  генерация.

     Инверсию электронов (накачку)  в  полупроводниковых  лазерах осуществляют  различными   путями.   Например,   иногда  используют  внешний

электронный пучок или излучение другого лазера для поперечного возбуждения в объеме полупроводника. Наиболее удобным оказывается использование полупроводника в виде диода,  по которому пропускают ток в прямом направлении. В этом случае инверсия населенностей достигается в узкой (менее 1 мкм) полоске между  р-  и  n-областями  перехода.

     Можно выделить два основных типа полупроводниковых  лазеров, а именно:  лазер на  гомопереходе и  лазер на  двойном гетеропереходе (ДГ).  Первый интересен в чисто историческом (так были устроены первые полупроводниковые лазеры) и  физическом смыслах, а  также  тем,  что позволяет лучше оценить преимущества лазеров на  ДГ, которые работают в непрерывном режиме и при комнатной температуре. Спектр применений лазеров на ДГ интенсивно расширяется.

 

     2.3.1.  ЛАЗЕР  НА  ГОМОПЕРЕХОДЕ

 

     В подобных лазерах  p-  и  n-области  выполнены на одном материале. Причем обе области являются вырожденными полупроводниками  с концентрацией носителей порядка  10¹⁸ ат/см³. При такой концентрации уровень Ферми  E_fn  для  p-области попадает в валентную зону, а  уровни Ферми   E_fn  для  n-области  -  в  зону  проводимости  (рис.2.9,а). В отсутствие напряжения оба уровня имеют одну и ту же энергию. Когда напряжение  будет  приложено, то  оба уровня   разбегутся на величину   DE = e ×U. Зонная структура примет вид, изображенный на  рис.2.9,б.  Из  рисунка  видно,  что  в области  p - n - перехода возникает инверсия населенностей. Дальнейший процесс рекомбинации вызовет лазерную генерацию.

 

 

Рис.2.9. Принцип действия полупроводникового  лазера на основе p-n - перехода: а - отсутствие смещения; б - при смещении в прямом  направлении.

 

     Конструктивно активный слой из   p-n - перехода  помещается между двумя  металлическими пластинами с припаянными электродами. Типичный размеры активной области не превышает 200-500 мкм,  отражающие поверхности создаются путем скалывания выходных граней полупроводникового монокристалла.

     В таком  виде  лазер имеет недостаток,  заключающийся в том,  что размер лазерного пучка ( ~ 5 мкм) значительно превышает активную область в поперечном направлении ( d = 1 мкм ). В результате чего проникает далеко в  p-  и  n- области,  где испытывает сильное поглощение.  По этой  причине пороговая плотность  тока  достигает большой величины ( ~ 10⁵ А/см  для  GaAs) и лазер  быстро выходит из строя  от перегрева. Работоспособен такой лазер только в импульсном режиме, а для  непрерывного режима излучения необходимо глубокое охлаждение.

 

     2.3.2.  ЛАЗЕР НА ДВОЙНОМ  ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ 

 

     Ограничений, отмеченных в п. 2.3.1.,  удалось избежать в конструкции лазера на двойном  гетеропереходе (ДГ).  Схематично одна из типичных конструкций такого лазера изображена на рис.2.10.

 

 

    Рис. 2.10. Схема полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе.

    Активная область - слой из   GaAs (n)

 

     В этом лазерном диоде реализованы два перехода между различными материалами:  Al _0,3 Ga _0,7 As (p) - GaAs  и  GaAs - Al _0,3 Ga _0,7 As (n).

Активная  область представляет собой слой  GaAs  толщиной всего  0,1- 0,3 мкм.  В  такой  структуре удалось снизить пороговую плотность тока почти на два порядка  (~ 10³ А/см²)  по сравнению с  устройством на гомопереходе. В результате чего лазер получил возможность работать  в  непрерывном  режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит  из-за  того,  что оптические и  энергетические характеристики слоев,  участвующих в переходах таковы, что все инжектированные электроны и оставшиеся дырки  эффективно удерживаются только в активной области;  лазерный пучок сосредоточен также только в активной области,  где и происходит его основное усиление и распространение;  лазерный пучок не испытывает по этим причинам поглощения в областях, соседних  с  активной.

     Длина волны излучения такого лазера  (l = 0,85 мкм)  попадает в диапазон,  в  котором оптический волоконный кварц имеет минимум потерь. В настоящее время разработаны и широко внедряются  лазеры на материалах  GaAs  с присадками  In,  P  и др. с  l = 1,3 и 1,6 мкм, также попадающие в  окна  прозрачности  оптического  кварца. Уменьшением ширины  полоски  лазеров  с  полосковой  геометрией  удалось  довести  пороговый  ток до  50 мА,  КПД до  60%  (величина, рекордная для всех видов существующих в настоящее  время  лазеров).

 

 

     2.4. ПРИМЕНЕНИЕ  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ  ЛАЗЕРОВ

 

     Полупроводниковые лазеры находят применение в различных  областях  оптоэлектроники  и систем записи и считывания информации. Впервые в широких масштабах эти лазеры начали использоваться в  качестве  считывающей головки в компакт-дисковых системах. Теперь область применения  включает  в  себя  оптические диски для постоянных и  одноразовых запоминающих устройств. Лазеры на сплавах  GaInP  или  AlGaInP  имеют излучение в видимой области оптического спектра,  что  позволило считывать более плотно записанную информацию.

      Вторая  область применения - волоконно-оптическая связь, где чаще всего используются лазеры на  GaAs. В будущем, наверное, для этих целей больше подойдет лазер на четверном сплаве InGaAsP с большим сроком службы (около 5×10⁵ часов). Широко применяются  лазеры на  GaAs для накачки твердотельных Nd: YAG-лазеров  при продольной конфигурации. Для этого используются линейки из диодных лазеров,  в которых при некоторых конструктивных решениях  (разработка линеек диодов с отдельными  лазерными каналами, но синхронизированными по фазе) удалось поднять выходную мощность  от  50 мВт  до 2 Вт.

     Можно сказать в заключение,  что область применения подобных лазеров постоянно расширяется и в  настоящее  время  значительная часть оптоэлектронных изделий не мыслима без использования полупроводниковых лазеров.

 

     Подводя итоги, можно сказать, что здесь рассмотрены только  те лазеры, которые нашли свое широкое применение в лазерной технологии, но это далеко не полный перечень. В настоящее время имеется целый ряд интересных  и  перспективных  разработок.  Примером такой разработки может служить СО-лазер. Этот лазер привлек свое внимание тем, что генерирует на более короткой, чем СО₂-лазер, длине волны (l =5 мкм), имеет высокий КПД (60 %) и высокую выходную мощность (более 100 кВт). Применение этого лазера сдерживается  только необходимостью охлаждать рабочую газовую среду до очень  низких  температур. Однако недавно были построены  СО-лазеры, работающие при температуре, близкой к комнатной. Поэтому сейчас они рассматриваются как перспективный источник излучения для приложений в обработке материалов.

      Газодинамический  СО₂ -лазер - рекордсмен по достигнутой выходной мощности (до 80 кВт). Интересен как пример осуществленной идеи - создания инверсии населенностей за счет газодинамического расширения, предварительно раскаленной газовой среды.

      Очень интересным и перспективным является  эксимерный лазер,  дающий излучение  в  УФ-области, с мощностью от  100 до 1000 Вт,   частотой импульсов f = 500 Гц  и  КПД  = 2-4%. Свое название получил от слова эксимеры, которое означает молекулы галогенидов инертных газов (например, ArF, KrF  и др.), и которые существуют только в возбужденном состоянии. Этот лазер нашел применение для очень точного  травления материалов в электронных печатных платах, лазерного вакуумного напыления  пленочных  слоев.

     Все более широкое применение в промышленности, науке находят жидкостные лазеры, в которых активной средой являются соединения органических красителей в жидком растворителе, таком, как этиловый и метиловый спирты и даже вода. Основным достоинством является широкий диапазон генерируемых длин волн, возможность перестройки диапазона без больших переделок. Эти лазеры широко используются в научных приложениях либо как непрерывные узкополосные (вплоть до одномодовых) перестраиваемые источники излучения для спектроскопии с высоким разрешением  по частоте,  либо  в качестве лазеров  с  короткими (вплоть  до  100 фс) выходными импульсами для спектроскопии с высоким разрешением по времени.

     Класс перестраиваемых лазеров пополнился за счет создания, эффективно накачиваемых лазеров, на центрах окраски в кристаллах галогенидов щелочных металлов. На таких приборах получена генерация в диапазоне длин волн 0,8-3.3 мкм, что значительно дополняет область длин волн, характерных  для  жидкостных  лазеров. 

     В данном разделе, рассматривались как атомарные, так  и молекулярные системы, энергетические уровни которых относятся к отдельным атомам или молекулам, но и полупроводниковые лазеры, в которых  волновая  функция  определяется кристаллом полупроводника в целом. Лучшими среди  полупроводниковых лазеров считаются лазеры на  AsGa,  с излучением в ИК-области и мощностью до 10 Вт, которая снимается со слоя размером толщиной в 0,002 мм.  Крошечные размеры полупроводниковых лазеров делают их очень удобными для применения там,  где нужен миниатюрный источник света с большой мощностью.  Область применений этих лазеров  в  настоящее  время  бурно расширяется.