Краткое введение в лазерную физику и технику.

При взаимодействии оптического излучения с веществом возможны три типа оптических переходов: спонтанные и вынужденные с излучением (тушение энергетических уровней), вынужденные с поглощением (возбуждение). Самопроизвольные переходы частиц из возбужденного состояния в основное или другое возбужденное состояние с меньшей энергией называются спонтанными, а возникающее излучение называют спонтанным. Вероятность таких переходов характеризуется коэффициентами Эйнштейна. Поскольку спонтанные переходы происходят хаотически и независимо друг от друга и внешнего излучения, то излучаемые при этом фотоны имеют различные фазы, направления распространения и состояние поляризации. Спонтанное излкчение характерно для обычных источников света ненаправлено, неполяризовано и некогерентно.

Тушение частицы может быть ускорено внешним электромагнитным излучением, частота которого равна частоте тушения. В этом случае переходы и возникающее излучение называют вынужденными. Коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов не зависят от времени. Особенностью вынужденного излучения является его полная тождественность внешнему излучению по частоте, фазе, направлению распространения и поляризации. К одному фотону стимулирующего внешнего излучения добавляется тождественный фотон, излучаемый в результате перехода. В процессе вынужденных переходов происходит когерентное усиление электромагнитного излучения.

Лазер – это генератор излучения, принцип действия которого основан на использовании вынужденного излучения. Основные элементы лазера – это активная среда, система накачки и оптический резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь вынужденного излучения.

Модуляция лазерного излучения.

Модуляция лазерного излучения это изменение одного или нескольких параметров характеризующих излучение: амплитуда, фаза, поляризация, направление распространения, спектральный состав и др. Применительно к лазерам различают внешнюю и внутреннюю модуляции. Внешняя модуляция заключается в целенаправленном изменении параметров уже сформированного лазерного луча за пределами резонатора. В основе современных модуляторов лежат физические эффекты в оптически анизатропных средах, эффект Покельса, акусто- и магнитооптический эффекты).

Методы управления спектральными характеристиками лазерного излучения в основном сводятся к селекции продольных и поперечных мод.

Режим работы лазера может быть непрерывным, импульсным (режим свободной генерации, модулированной добротности, синхронизации мод), импульсно-периодическим, одно- и многомодовым, одночастотных.

Лазеры обычно классифицируют по агрегатному состоянию активной среды (газовые, жидкостные, твердотельные), методу накачки (газоразрядные, газодинамические, химические), временному режиму генерации и др.

Газовые лазеры.

- Гелий-неоновый лазер 632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм) Электрический разряд Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.

- Аргоновый лазер 488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм) Электрический разряд Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.

- Криптоновый лазер 416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм Электрический разряд Научные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу.

- Ксеноновый лазер Множество спектральных линий по всему видимому спектру и частично в УФ и ИК областях. Электрический разряд Научные исследования.

- Азотный лазер 337,1 нм (316; 357 нм) Электрический разряд Накачка лазеров на красителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры.

- Лазер на фтористом водороде 2,7—2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6—4,2 мкм (фторид дейтерия) Химическая реакция горения этилена и трёхфтористого азота (NF3), инициируемая электрическим разрядом (импульсный режим). Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей и в импульсном режиме в области тераваттных мощностей. Один из самых мощных лазеров. Лазерные вооружения. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС).

- Химический лазер на кислороде и иоде (COIL) 1,315 мкм Химическая реакция в пламени синглетного кислорода и иода. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей. Также создан и импульсный вариант. - Научные исследования, лазерные вооружения. Обработка материалов. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). В перспективе: источник накачки неодимовых лазеров и рентгеновских лазерных систем.

- Углекислотный лазер (CO₂) 10,6 мкм, (9,6 мкм) Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд, химическая реакция (DF-CO₂ лазер). Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.

- Лазер на монооксиде углерода (CO) 2,5—4,2 мкм, 4,8—8,3 мкм - Электрический разряд; химическая реакция Обработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.

- Эксимерный лазер 193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF) Рекомбинация эксимерных молекул при электрическом разряде Ультрафиолетовая литография в полупроводниковой промышленности, лазерная хирургия, коррекция зрения, лазерная плазма.

1.3. Лазеры на парах металлов

- Гелий-кадмиевый лазер на парах металлов 440 нм, 325 нм Электрический разряд в смеси паров металла и гелия. Полиграфия, УФ детекторы валюты, научные исследования.

- Гелий-ртутный лазер на парах металлов 567 нм, 615 нм Электрический разряд в смеси паров металла и гелия. Археология, научные исследования, учебные лазеры.

- Гелий-селеновый лазер на парах металлов. до 24 спектральных полос от красного до УФ Электрический разряд в смеси паров металла и гелия. Археология, научные исследования, учебные лазеры.

- Лазер на парах меди 510,6 нм, 578,2 нм Электрический разряд Дерматология, скоростная фотография, накачка лазеров на красителях.

- Лазер на парах золота - 627 нм. Электрический разряд Археология, медицина.

1.4. Твердотельные лазеры

- Рубиновый лазер 694,3 нм Импульсная лампа Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазера (1960) – Обработка материалов.

- Алюмо-иттриевые лазеры с легированием неодимом (Nd:YAG) 1,064 мкм, (1,32 мкм). Импульсная лампа, лазерный диод Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров. Один из самых распространённых лазеров высокой мощности. Обычно работает в импульсном режиме (доли наносекунд). Нередко используется в сочетании с удвоителем частоты и соответственным изменением длины волны на 532 нм. Известны конструкции с квазинепрерывным режимом излучения.

- Лазер на фториде иттрия-лития с легированием неодимом (Nd:YLF) 1,047 и 1,053 мкм. Импульсная лампа, лазерный диод Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.

- Лазер на ванадате иттрия (YVO4) с легированием неодимом (Nd:YVO) 1,064 мкм Лазерные диоды Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.

- Лазер на неодимовом стекле (Nd:Glass) ~1,062 мкм (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла) Импульсная лампа, Лазерные диоды Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты до 351 нм в устройствах лазерной плавки. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Накачка рентгеновских лазеров.

- Титан-сапфировый лазер 650—1100 нм Другой лазер.- Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования.

- Алюмо-иттриевые лазеры с легированием тулием (Tm:YAG) 2,0 мкм. - Лазерные диоды.- Лазерные радары.

- Алюмо-иттриевые лазеры с легированием иттербием (Yb:YAG) 1,03 мкм. Импульсная лампа, Лазерные диоды Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры.

- Алюмо-иттриевые лазеры с легированием гольмием (Ho:YAG). 2,1 мкм.-Лазерные диоды Медицина.

- Лазер на александрите с легированием хромом Настраивается в диапазоне от 700 до 820 нм Импульсная лампа, Лазерные диоды. Для непрерывного режима — дуговая ртутная лампа Дерматология, лазерные дальномеры.

- Волоконный лазер.

Волоко́нный ла́зер — лазер, активная среда и, возможно, резонатор которого являются элементами оптического волокна. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным. Волоконные лазеры применяются в промышленности для резки металлов и маркировки продукции, сварке и микрообработке металлов, линиях волоконно-оптической связи. Их основными преимуществами являются высокое оптическое качество излучения, небольшие габариты и возможность встраивания в волоконные линии.

- Лазерные диоды. Это п/п лазер, активная среда в котором возникает в результате инжекции свободных носителей в область р-п перехода. Применении: оптические усилители в волоконно-оптических линиях связи, обработка металлов (резка, сварка, гравировка), термораскалывание стекла, медицина, косметология.

- Лазеры на халькогенидах цинка/кадмия, легированных переходными металлами (хромом,железом) (TM2+:AIIBVI, Cr2+:ZnSe, Fe2+:ZnSe) Cr2+ 1,9-3,6 мкм, Fe2+ 4-5.5 мкм для Cr2+-легированной активной среды — лазерный диод, эрбиевый или тулиевый волоконные лазеры, для Fe2+-легированной активной среды — Er:YAG лазер (2,94 мкм) Твердотельные лазеры с широкой полосой перестройки,

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между локализованными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется: непосредственно электрическим током (прямая накачка); электронным пучком; электромагнитным излучением. Типичным представителем полупроводниковых лазеров является лазерный диод — лазер, в котором рабочей областью является полупроводниковый p-n переход. В таком лазере излучение происходит за счет рекомбинации электронов и дырок.

Фемтосекундные (1fs=10^-15c) лазеры. (Титан-сапфировый, итербиевый и др), до 5 fs– 700 – 1100 нм – лазерный диод – плазма с излучением мягкого рентгена, спектроскопия, офтальмология, прецизионная обработка материалов.

1.5. Рентге́новский ла́зер (также иногда встречается название разер)

Это источник когерентного электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне. Является коротковолновым аналогом лазера. В более широком смысле рентгеновскими лазерами называют любые устройства, способные генерировать когерентное рентгеновское излучение.

В рентгеновских лазерах в качестве активной среды обычно используется горячая плазма. Именно для таких лазеров достигнуты наибольшие успехи. Наименьшая длина волны, для которой продемонстрирован лазерный эффект составляет 3,56 нм.

Плазменные лазеры (рекомбинационная накачка). Рекомбинирующая плазма как активная среда лазера. Процессы рекомбинации при столкновениях свободных электронов с положительно заряженными ионами в плазме могут приводить к достаточно эффективному инверсному заселению энергетических уровней накоплению атомов и ионов.