..:: | Назад | Содержание | Далее | ::..
Наряду с внедрением волоконно-оптических линий связи, современная радиотехника стала разрабатывать системы лазерной локации, лазерной медицины, лазерной обработки материалов, лазерного оружия, оптической голографии. В качестве генератора во всех этих устройствах используется оптический квантовый генератор (ОКГ) — лазер (аббревиатура английских слов «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — LASER).
Главный элемент лазера — активная среда (активное вещество). Упрощенный принцип действия лазера состоит в следующем. В каждом атоме относительно его ядра электроны могут занимать разные энергетические уровни. Обычно атом находится в невозбужденном состоянии, и все электроны расположены па энергетических уровнях, соответствующих минимальным значениям энергии. При воздействии на атомы внешнего излучения или электрического разряда, часть электронов может перейти на более удаленные электронные орбиты. Возникает инверсия населенностей уровней в активной среде возбужденных атомов.
Такая активная среда играет роль усилителя в схеме автогенератора. Когда на вход усилителя подается часть выходного напряжения в фазе с входным, на его выходе возникают генерируемые колебания большой амплитуды. Аналогичные процессы происходят и в лазере. При наличии инверсии населенностей под действием стимулирующего (внешнего) излучения в результате перехода в атомах возбужденных электронов на уровни не возбужденных происходит индуцированное (вынужденное или стимулированное) излучение. Излученные колебания точно совпадают по частоте, фазе, поляризации и направлению с вызвавшими их колебаниями. Индуцированное излучение когерентно стимулирующему излучению.
Структурная схема лазера изображена на рисунке 2.22. Оптические резонаторы (резонаторы Фабри-Перо) позволяют осуществить положительную обратную связь. Основное назначение этого резонатора - обеспечить многократное прохождение индуцированного излучения через активную среду. Оптический резонатор представляет собой пару отражающих элементов (зеркал или призм полного внутреннего отражения), обращенных друг к другу. Между ними расположена активная среда (активное вещество). С других сторон объем резонатора ничем не ограничен, поэтому оптический резонатор называют открытым.
Рисунок 2.22 - Структурная схема лазера
Одно из зеркал делают полупрозрачным или с отверстием, через него луч лазера выходит наружу. Система накачки призвана обеспечить инверсную населенность в активной среде. Система охлаждения служит для отвода рассеиваемой лазером мощности и для понижения температуры активной среды, так как мощные ОКГ работают при температурах жидкого азота или гелия.
В последнее время в науке и технике используют твердотельные, полупроводниковые, газовые и другие типы лазеров. В качестве активной среды для газовых лазеров применяют благородные газы — неон, аргон, криптон, ксенон, а также гелиево-неоновая смесь и СО. Газ находится в резонаторе Фабри-Перо. В газовом ОКГ атомы переводятся в возбужденное состояние с помощью электрического разряда. Типичная мощность излучения таких лазеров от нескольких милливатт до нескольких киловатт в непрерывном режиме и до 100 кВт в импульсном режиме.
В ОКГ на твердом теле активная среда представляет собой стержень из кристалла (рубина, сапфира) или стекла, в который введена добавка из собственно активного лазерного вещества. Оба зеркала, образующие резонатор Фабри-Перо, наносятся в большинстве случаев на торцы кристаллического стержня. Для возбуждения атомов в твердотельных ОКГ требуется энергия накачки - возбуждение некогерентным светом от специального источника, например, ксеноновых ламп. Импульсная мощность таких ОКГ достигает 100 кВт при длительности импульса 1 мс.
Полупроводниковый ОКГ представляет собой полупроводниковый диод (из арсенида галлия). Диод состоит из кристалла с электронной проводимостью, в котором с помощью диффузии создана область с дырочной проводимостью (рисунок 2.23).
Рисунок 2.23 - Структурная схема полупроводникового лазера
Подвод энергии и возбуждение лазерного вещества в полупроводниковом ОКГ осуществляется путем инжекции электронов и дырок. Важной особенностью таких ОКГ является то, что они могут модулироваться непосредственно инжекционным током с частотой модуляции до нескольких гигагерц. Лазерные диоды можно делать малых размеров (их длина составляет. 0,1...1 мм). Разработаны полупроводниковые ОКГ с электронным и оптическим возбуждением. Мощность излучения полупроводниковых лазеров - до 10 Вт при длительности импульса 10-2...1 мкс при комнатной температуре и температуре жидкого азота соответственно.
Наиболее широко применяется ОКГ на иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ) благодаря высокой теплопроводности активного элемента, что позволяет получать генерацию при большой частоте повторения импульсов в непрерывном режиме. При длине твердотельного стержня 15 см и диаметре 1 см выходная мощность в непрерывном режиме достигает 2 кВт. Накачка импульсных лазеров на ИАГ осуществляется импульсными ксеноновыми лампами. В случае создания ОКГ с непрерывным режимом излучения используются вольфрамовые лампы накаливания или криптоновые дуговые лампы.
В ближайшем будущем практическое использование найдут химические ОКГ. Они работают без электрического питания — за счет энергии химической реакции с водородом возникает инверсия населенностей уровней. Выходная мощность может достигать 1,2 ГВт в импульсном режиме и 4,5 кВт в непрерывном.
..:: | Назад | Содержание | Далее | ::..