книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

димом и инфракрасном диапазонах) уже являются коммерческим продуктом. Миллионы таких лазеров, излучающих с поверхности, могут быть объединены на одном чипе, что, естественно, создает множество возможностей их практического использования в дисплеях и системах обработки оптических сигналов.

Рис. 10.11. Схема устройства лазера с краевым излучением на самоорганизованных квантовых точках (на вставке показан зародышевый слой с пирамидальными квантовыми точками)

Представленные на рис. 10.12 значения плотности порогового 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 квантовой локализацией по коэффициенту усиления показывает (рис. 10.13), что квантовые точки позволяют добиться максимальной 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.

251

Рис. 10.12. Плотностьпороговоготокадля лазерных структур сразличнойлокализацией, достигнутая запоследниедесятилетия

Рис. 10.13. Спектр коэффициентов усиления для лазеров на идеальных объемных полупроводниках, квантовых ямах, квантовых проволоках и квантовых точках

252

Явным преимуществом лазеров на квантовых точках является и то, что их электронная структура может управляться путем подбора материала, а также размеров и формы точек. Однако настоящий прогресс в создании лазеров на квантовых точках связан с развитием методов создания квантовых точек на основе так называемой самоорганизации (самосборки). Эта область нанотехнологий продолжает оставаться одной из перспективных.

Прорыв в лазерной физике ознаменовало появление волоконных 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 волоконной 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-

253

тральные области лазерной генерации существующих эффективных редкоземельных волоконных лазеров не перекрывают спектрального 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 СО2-лазеры, однако они громоздки, не имеют волоконного выхода, не обладают высокой эффективностью и качеством пучка, то есть по этим параметрам уступают волоконным лазерам. Кроме того, на волне излучения СО2-лазера (10,6 мкм) металлы являются хорошим зеркалом, что снижает эффективность их обработки. Коэффициент отражения от металлов падает по мере того, как укорачивается длина волны. И с этой точки зрения более предпочтительны иттербиевые волоконные лазеры, генерирующие на волне длиной 1 мкм. Ожида-

254

ется, что по мере дальнейшего совершенствования элементной базы и снижения стоимости лазерных диодов, используемых в качестве источников накачки, волоконные лазеры будут вытеснять СО2-лазеры из сферы обработки материалов.

10.6. Области применения лазеров

Рассмотрим на конкретных примерах некоторые области применения лазерной техники.

Передача информации по стекловолокнам

Генерируемая полупроводниковым лазерным диодом (инжекционным лазером) как передатчиком световая волна способна передавать информацию на расстояния до 100 км через тонкое стекловолокно диаметром в несколько тысячных долей миллиметра (рис. 10.16). Соединенные промежуточными усилителями стекловолоконные кабели осуществляют связь между континентами через моря и океаны.

Рис. 10.16. Передача информации по стекловолокнам

255

В 1988 году был проложен первый подводный стекловолоконный кабель для осуществления трансатлантической связи между восточным побережьем США и Европой. Проведенный в 1989 году транстихоокеанский стекловолоконный кабель был рассчитан на скорость передачи данных 280 Мбит/с. Эта подводная стекловолоконная линия содержала оптические усилители, благодаря которым удалось значительно снизить число требуемых оптоэлектронных преобразований и регенераций электрических сигналов.

Объединив в кабели 100 стекловолокон, можно одновременно включить свыше 1000 телевизионных каналов или, например, 1 млн телефонных линий, можно передавать информацию со скоростью до 2 Тбит/с. Подобные способы применения лазерной техники и современной оптики в информационных технологиях находятся в настоящее время в центре развития.

Лазерная обработка материалов

При использовании энергии лазера для обработки материалов плотность мощности и время облучения должны соответствовать выбранному способу обработки. При низкой плотности мощности и длительном времени облучения большой объем вещества нагревается теплопроводностью. При высокой плотности мощности и коротком времени облучения материал нагревается только в зоне падающего лазерного луча.

На рис. 10.17 приведены плотности мощности лазерного излучения в зависимости от времени облучения для разных процессов обработки. Границы диапазонов здесь невозможно обозначить точно, ибо они зависят от типа используемого лазера и обрабатываемого материала.

При лазерной резке листового металла, например, для корпусов машин материал доводится до расплавленного состояния, после чего жидкое вещество выталкивается струей газа. Преимущество применения лазерного луча состоит в том, что он может

256

Рис. 10.17. Плотности мощности идлительностиимпульсов дляобработки материалов с помощью лазеров

следовать по сложной пространственной траектории, позволяет практически без износа инструментов легко обрабатывать даже очень твердые материалы, которые обычно поддаются только линейномурезаниюсприменениемалмазныхшлифовальныхкругов.

При лазерной сварке стальных листов достигаются скорости порядка нескольких метров в минуту (рис. 10.18). В режиме теплопроводной сварки лазерный луч так проводится по поверхности материала, что температура кипения не достигается, но начинается едва заметное испарение. Под действием лазерного излучения расплавляются подлежащие соединению детали, приложенные друг к другу по сварному шву. Сварной шов при этом не очень глубок и примерно соответствует его 1,5-кратной ширине. Более сложными представляются операции по сварке с глубоким проплавлением. Здесь температура выше точки кипения, поэтому расплав перемещается под давлением пара в сварном шве. Расплав циркулирует и частично даже поднимается на поверхности материала, образуя валик.

257

Сварной шов отличается мелкозернистой кристаллической структурой с минимумом загрязнений. Нередко его прочность превышает прочность сваренного материала.

Рис. 10.18. Скорость сварки с применением лазера высокой энергии излучения

Лазерная сварка очень популярна и в электронной промышленности, гдеееиспользуют длясоединения разнородныхвеществ.

Лазерной термообработке, закалке, легированию подвер-

гают металл с целью повышения механических и химических свойств, снижения циклической усталости, а также улучшения внешнего вида изделия. Рис. 10.19 демонстрирует в поперечном разрезе поверхность, закаленную на ширину 4 мм лучом лазера. Приэтомбылодостигнутосущественноеповышениееепрочности.

Новые свойства поверхности металла, недоступные традиционным методам диффузионного насыщения поверхности металла примесью, дает технология лазерного легирования. Поверхностное легирование началось в промышленном масштабе

258

Рис. 10.19. Закалка поверхности лазерным излучением: вверху – разрез перпендикулярно поверхности разной структуры; внизу – характеристика закалки

только в последние годы именно благодаря применению лазеров. При этом на заготовку наносится порошкообразное вещество (бор или карбид), которое лазерным излучением сплавляется с поверхностью. В результате образуется новый сплав, который при быстром охлаждении отличается чрезвычайно мелкозернистой и прочной структурой. При кратковременном лазерном оплавлении поверхности металла возникающие интенсивные гидродинамические потоки термокапиллярной конвекции ускоряют процессы массопереноса по всей зоне оплавления. В итоге тонкая корочка поверхностно упрочненного металла при мягкой сердцевине повышает ствойкость металла к истиранию и циклическим нагрузкам. Результаты моделирования этой технологии представлены на рис. 10.20.

259

Рис. 10.20. Оплавление титаначерез 14 мс после начала импульсного лазерного воздействия: а– распределение температурынаповерхности; б– изотермы; в– траектории течения расплава. Энергия вимпульсе – 8 Дж; плотность потока энергии – 3,3 108 Вт/м2; длительность импульса – 6 10–3 c; диаметр лазерного пучкаd ≈ 1,2 мм; глубина

проплавления h ≈ 0,25 мм

Лазерные способы скрабирования и разделения полупро-

водниковых чипов, производимых в большом количестве на кремниевой подложке или кристаллической пластине диаметром в несколько сантиметров, а также пайка и подгонка резисторов путем съема материала с помощью лазеров уже давно утвердились в области производства микроэлектроники.

Измерение расстояний

Измерения расстояний с применением лазерного луча сводятся к измерениям времени. Благодаря лазерному излучению любую длину можно определить как временной интервал, необходимый световому лучу для прохождения измеряемого участка.

Важную роль в развитии измерительной техники играет генерация сверхкоротких световых импульсов, которые позволяют исследовать с высоким временным разрешением быстро проте-

260