11.4.Классификация лазеров
Основным признаком при классификации лазеров следует считать агрегатные состояния рабочего вещества. Различают газовые, жидкостные и твердотельные лазеры. В отдельную группу выделяют полупроводниковые лазеры, т.к. физические процессы, протекающие при генерации в полупроводниках, существенно отличаются от явлений, протекающих в обычных твердотельных лазерах.
В твердотельных лазерах рабочим ансамблем атомов являются примесные атомы, введенные в сравнительно небольших количествах в основную матрицу твердого тела, которая может быть как кристаллической, так и аморфной. Например, рубин представляет собой корунд Al2O3, в кристаллической решетке которого часть атомовAl заменена атомамиCr.Другим примером рабочего вещества является стекло (аморфное тело) с примесью неодима. Рабочими атомами в этом случае являются соответственно атомы хрома или неодима. Однако атомы неодима могут быть введены и в кристаллическое тело, как, например, в лазере на алюмоиттриевом гранате.
Инверсия в твердотельных лазерах достигается воздействием потоков фотонов соответствующей частоты на примесные атомы рабочего тела, т.е. при помощи оптической накачки, осуществляемой путем использования специальных газоразрядных ламп.
В газах могут быть использованы энергетические уровни атомов, ионов или молекул. Рабочие уровни ионов располагаются на энергетической диаграмме выше, чем уровни атомов, а расстояния между ними больше, поэтому излучение ионных лазеров является более коротковолновым, чем атомарных лазеров. Вероятность ионных переходов выше, чем атомных, поэтому мощность ионных лазеров выше.
В молекулярных лазерах используются энергетические уровни, соответствующие колебательным и вращательным движениям атомов и молекул. Данные уровни расположены ниже атомных уровней, и интервалы между ними значительно меньше, вследствие этого излучение молекулярных газовых лазеров более длинноволновое и соответствует инфракрасной части спектра, а КПД их много больше атомарных и ионных лазеров.
Среди газовых лазеров выделяют лазеры с однородным газом (He, Ne, Ar, Krи т.д.) и лазеры, в которых к основному рабочему газу прибавляется примесь других газов (He- Ne) и т.д.
В большинстве газовых лазеров накачка осуществляется прохождением электрического тока через рабочий газ. При электрическом разряде в газе происходит столкновение электронов и ионов с нейтральными частицами газа, а также столкновения нейтральных частиц между собой. В результате этих столкновений при определенных условиях осуществляется инверсия, необходимая для генерации излучения.
Жидкостные лазеры делят на две группы:
лазеры, у которых рабочим веществом являются растворы неорганических соединений;
лазеры, у которых рабочим веществом являются растворы органических красителей.
В жидкостных лазерах инверсия осуществляется при помощи оптической накачки.
В полупроводниковых лазерах рабочим телом является кристалл полупроводника. Генерация осуществляется при рекомбинации неравновесных электронов и дырок при соответствующих переходах носителей. Полупроводниковые лазеры подразделяются на две группы. К первой группе относятся лазеры, в которых рабочим телом являются кристаллы – полупроводники, изготовленные таким образом, что одна их часть обладает электронной проводимостью (n-тип), а другая – дырочной (p-тип). При этом вp-nпереходе возникает большой градиент концентрации электронов и дырок. Инверсия осуществляется при инжекции носителей тока черезp-nпереход под влиянием прилагаемой к кристаллу разности потенциалов. Это инжекционные лазеры.
Во второй группе лазеров рабочим телом являются кристаллы полупроводника одного типа. Возбуждение осуществляется при бомбардировке кристалла полупроводника электронным пучком, или достигается оптической накачкой.
В последнее время большое развитие получили лазеры с химической накачкой, когда инверсия возникает при той или другой химической реакции.