Администратор Сообщений: 133 Откуда: Russia Зарегистрирован: 21 Января 2009, 09:29:13 Пол:
Мужской Статус: offline
ICQ статус
Опубликовано 11 Февраля 2009, 16:09:29
Обзор лазерной техники.
В данной статье приводим классификацию лазеров, примеры применения лазеров, принципы лазеров, физику лазеров, устройство лазеров а также способы лечения лазером.
Данные вопросы детально описаны в технической литературе, свою задачу вижу только в кратком обзоре по лазерной технике. Статья рассчитана на новичка в данном вопросе, а также для тех, кто хочет освежить свои знания.
1) Что такое лазер?
Лазер (англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «Усиление света с помощью вынужденного излучения») — устройство, использующее квантово-механический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Усиленный сигнал очень точно совпадает с исходным по длине волны, фазе и поляризации, что очень важно в устройствах оптической связи.
Обычные источники света, такие как лампа накаливания, излучают свет в разных направлениях с широким диапазоном длин волн. Большинство из них также некогерентны, то есть фаза излучаемой ими электромагнитной волны подвержена случайным флуктуациям.
Излучение обычного источника не может, без применения специальных мер, дать устойчивую интерференционную картину. Кроме того, излучение не лазерных источников обычно не обладает фиксированной поляризацией. Напротив, излучение лазера монохроматично и когерентно, то есть имеет постоянную длину волны и предсказуемую фазу, а также хорошо определённую поляризацию.
С другой стороны, некоторые типы лазеров, например жидкостные лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне; это свойство делает возможной генерацию сверхкоротких импульсов порядка нескольких фемтосекунд (10w22;15 с) с помощью синхронизации мод.
Лазеры созданы на стыке двух наук — квантовой механики и термодинамики, но фактически, многие типы лазеров были созданы методом проб и ошибок.
2) Принцип работы лазера и история изобретения
Первый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft), которая находилась в Малибу, штат Калифорния с привлечением групп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Bell laboratories. Майман использовал рубиновый стержень с импульсной накачкой, который давал красное излучение с длиной волны 694 нанометра. Примерно в то же время иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работу он получил премию имени Альберта Эйнштейна.
Основная идея работы лазера заключается в инверсии электронной населённости путём «накачки» рабочего тела, подводя к нему энергию, например в виде световых или электрических импульсов. Рабочее тело помещается в оптический резонатор, при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.
Инверсия электронной населённости также лежит в основе работы мазеров, которые принципиально похожи на лазеры, но работают в микроволновом диапазоне. Первые мазеры были сделаны в 1953—1954 гг. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, а также независимо от них американцем Ч. Таунсом и его сотрудниками. В отличие от квантовых генераторов Басова и Прохорова, которые нашли выход в использовании более чем двух энергетических уровней, мазер Таунса не мог работать в постоянном режиме. В 1964 году Басов, Прохоров и Таунс получили Нобелевскую премию по физике «За основополагающую работу в области квантовой электроники, позволившую создать генераторы и усилители, основанные на принципе мазера и лазера».
Излучение лазера может быть настолько мощным, что им можно резать сталь и другие металлы. Несмотря на то, что луч лазера можно сфокусировать в очень маленькую точку, она всегда будет иметь конечный ненулевой размер благодаря дифракции. С другой стороны, размер сфокусированного лазерного луча всегда будет значительно меньше луча, созданного любым другим способом. Например, луч небольшого лабораторного гелий-неонового лазера разойдётся всего примерно на 1,5 километра на расстоянии от Земли до Луны. Конечно, некоторые лазеры, особенно полупроводниковые, благодаря малым размерам, создают сильно расходящийся луч. Однако эту проблему можно решить применением линз.
Влияние дифракции можно обойти, применяя волноводы, в данном случае оптоволоконные линии
3) Устройство лазера
Лазер обычно состоит из трёх основных элементов:
Источник энергии (механизм «накачки»);
Рабочее тело;
Система зеркал («оптический резонатор»).
Источник накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция или даже взрывчатое вещество. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.
Рабочее тело — основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существуют сотни или даже тысячи различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.
В лазерах используются следующие рабочие тела:
Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.
Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такае лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.
Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.
Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.
4) Использование лазеров
С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых важных изобретений XX века.
Исключительно широкое использование лазеров в науке и промышленности объясняется их уникальными свойствами — когерентностью, монохроматичностью и возможностью достижения высочайшей плотности мощности излучения. Например, когерентность лазерного луча позволяет сфокусировать его в точку, практически совпадающую по размеру с дифракционным пределом, который для видимого спектра составляет всего несколько сотен нанометров. Это позволяет лазерным записывающим устройствам хранить гигабайты информации на оптических дисках, например, формата DVD. Хорошо сфокусированный луч позволяет достичь громадной плотности излучения, достаточной для резки, плавления и даже испарения самых тугоплавких материалов. К примеру, лазер на алюмо-иттриевом гранате с неодимовым легированием в режиме удвоения частоты работает на длине волны 532 нм (зелёный участок спектра) и при мощности всего 10 Ватт позволяет достичь энергий порядка нескольких мегаватт на квадратный сантиметр. В реальности, конечно, сфокусировать луч до пределов дифракции крайне сложно.
Из всех существующих лазеров ("Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation") длительного действия наиболее мощными, продвинутыми в практическом отношении и приспособленными для резки материалов, сварки
металлов, термического упрочнения поверхностей деталей и ряда других операций являются электроразрядные СО2-лазеры. Большой интерес к СО2-лазерам объясняется также и тем, что у этого лазера эффективность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в сочетании с максимально достижимой мощностью или энергии импульса значительно превосходит аналогичные параметры других типов лазеров. С помощью их излучения производят необычные химические реакции, разделяют изотопы. Имеются проекты передачи энергии с помощью СО2-лазеров с Земли в космос или из космоса на Землю, обсуждаются вопросы создания реактивного двигателя, использующего излучение лазера. За 33 года, прошедших со времени создания первого образца (С. Пател, 1964г.) их мощность в непрерывном режиме возросла от милливатта до многих
киловатт. Сейчас выпускаются СО2-лазеры с мощностью до 10 кВт, в том числе более 50 типов СО2-лазеров с ВЧ-накачкой в диапазоне мощностей от 3 Вт до 5 кВт. При этом газовые лазеры с ВЧ-возбуждением обладают целым рядом преимуществ по сравнению с лазерами, в которых для накачки рабочей среды применяется самостоятельный тлеющий разряд постоянного тока. В частности, их конструкция и технология изготовления проще, а надёжность, ресурс работы, удельные характеристики существенно выше чем у лазеров с накачкой постоянным током. Это позволяет уменьшить габариты и массу технологических СО2-лазеров мощностью ?1 кВт настолько, что становится возможным размещение такого лазера
на подвижном манипуляторе промышленного робота. Сегодня известно большое количество различных конструкций газовых лазеров с ВЧ-возбуждением. Но в основе всего многообразия конструктивных решений лежит специфика пространственной структуры ВЧЕР, которая в
большинстве случаев удачно совпадает с требованиями, предъявляемыми к активной среде лазера.
5) Популярные заблуждения
- Вся современная поп-культура, особенно боевики и научная фантастика, полны заблуждений о лазерных технологиях. Например, вопреки фильмам, таким как «Звёздные войны», луч лазера абсолютно невидим в вакууме и в большинстве случаев на воздухе. Луч «пылает» только рассеиваясь на каких-либо частицах, например, пыли — точно также, как лучи солнца видны в запыленной атмосфере или в тумане. Однако лучи очень высокой мощности все же могут быть видны в чистом воздухе благодаря рэлеевскому или рамановскому рассеянию.
- Кроме того, в фантастических фильмах луч распространяется довольно медленно, так что его движение можно проследить глазом, совсем как трассирующий снаряд. На самом деле, луч лазера распространяется со скоростью света и мы должны увидеть его сразу по всей длине.
- Ещё пример — во многих фильмах герой обнаруживает и обходит контур лазерной защиты, распыляя какое-либо вещество в воздухе. На самом деле, инфракрасные лазерные диоды сделать проще и дешевле, чем излучающие видимый свет. Именно поэтому использовать лазеры с видимым излучением в охранных системах совершенно бессмысленно.
- Лазером в кино обычно режут всё, что попадётся под руку. Удивительно, но никто не обращает внимания, что мощности отражённого луча, который взрезает стальные двери, вполне достаточно, чтобы повредить сетчатку глаза взломщика, который не надевает очков.
6) Безопасность лазеров
Даже маломощные лазеры (с выходной мощностью несколько милливатт) могут быть опасны для зрения. Для видимых длин волн (400—700 нм), которые хорошо пропускаются и фокусируются хрусталиком, попадание лазерного луча в глаз, даже на несколько секунд, может привести к частичной или даже полной потере зрения. А лазеры большей мощности могут приводить даже к повреждению кожных покровов.
Лазеры делятся на 4 класса безопасности, от 1 — практически безопасный, до 4, у которого даже рассеянный луч может стать причиной ожога глаза или кожи.
Наклейка на CD-рекордере, предупреждающая об использовании в устройстве полупроводникового лазера Класс 1
Класс 1. Лазеры и лазерные системы малой мощности, которые не могут излучать уровень мощности, превышающий максимально разрешённое облучение. Лазеры и лазерные системы Класса 1 не способны причинить повреждение человеческому глазу.
Класс 2. Маломощные лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы.
Класс 3a. Лазеры и лазерные системы, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода. Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп).
Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча.
Класс 4. Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (<0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющие и горючие материалы.
7) Классификация лазеров
7.1 Газовые лазеры
Таблица 1: Классификация газовых лазеров по рабочему телу
Рабочее тело
Длина волны
Источник накачки
Применение
Гелий-неоновый лазер
632,8 нм (543,5 нм, 593,9 нм, 611,8 нм, 1,1523 мкм, 1,52 мкм, 3,3913 мкм)
Электрический разряд
Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.
Аргоновый лазер
488,0 нм, 514,5 нм, (351 нм, 465,8 нм, 472,7 нм, 528,7 нм)
Электрический разряд
Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.
Криптоновый лазер
416 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм, 676.4 нм, 752,5 нм, 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
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)
Лазерные вооружения. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей
Химический лазер на кислороде и иоде (COIL)
1,315 мкм
Химическая реакция в пламени синглетного кислорода и иода
Научные исследования, лазерные вооружения. Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей.
Углекислотный лазер (CO2)
10,6 мкм, (9,4 мкм)
Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд
Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.
Лазер на монооксиде углерода (CO)
2,6 – 4 мкм, 4,8 – 8,3 мкм
Электрический разряд
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.
Гелий-неоновый лазер
Рабочим телом гелий-неонового лазера служит, как понятно из названия, смесь двух газов — гелия и неона в пропорции 5:1, расположенной в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000 вольт, расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал — полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства.
Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора — от 15 см до 0,5 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.
Аргоновый лазер
Аргон— одноатомный газ с температурой кипения (при нормальном давлении) w22;185,9° C (немного ниже, чем у кислорода, но немного выше, чем у азота). В 100 мл воды при 20° C растворяется 3,3 мл аргона, в некоторых органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде.
Пока известны только 2 химических соединение аргона — гидрофторид аргона и CU(Ar)O, которые существуют при очень низких температурах. Кроме того, аргон образует эксимерные молекулы, то есть молекулы, у которых устойчивы возбужденные электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Есть основания считать, что исключительно нестойкое соединение Hg—Аr, образующееся в электрическом разряде, — это подлинно химическое (валентное) соединение. Не исключено, что будут получены другие валентные соединения аргона с фтором и кислородом, которые тоже должны быть крайне неустойчивыми. Например, при электрическом возбуждении смеси аргона и хлора возможна газофазная реакция с образованием ArCl. Также со многими веществами, между молекулами которых действуют водородные связи (водой, фенолом, гидрохиноном и другими), образует соединения включения (клатраты), где атом аргона, как своего рода «гость», находится в полости, образованной в кристаллической решётке молекулами вещества-хозяина.
Соединение CU(Ar)O получено из соединения урана с углеродом и кислородом CUO (см. февральский номер журнала «Science» за 2002 г.) (требуется ссылка на источник). Вероятно существованияесоединений со связями Ar-Si и Ar-C: FArSiF3 и FArCCH
Химический кислородно-йодный лазер (англ. Chemical oxygen iodine laser, COIL) — инфракрасный химический лазер. Выходная мощность в непрерывном режиме достигает единиц мегаватт. Работает на длине волны 1,315 мкм, соответствующей переходу атомного йода.
В лазер подаются газообразный хлор, молекулярный йод, раствор перекиси водорода и гидроксида калия. В результате химической реакции раствора с хлором (помимо тепла и хлорида калия) образуется кислород в возбуждённом состоянии со средним временем жизни 45 минут. Этот т. н. синглетный дельта-кислород передаёт энергию возбуждения молекулам йода, впрыснутым в газовый поток; они примерно в резонансе с синглетным кислородом, поэтому передача энергии при столкновениях частиц происходит быстро. Затем в области оптического резонатора лазера происходит генерация на возбуждённом йоде на длине волны 1,315 мкм.
Лазер работает при сравнительно низких давлениях газа, но скорость его потока во время реакции должна приближаться к скорости звука; даже описаны конструкции со сверхзвуковым течением. Низкое давление и быстрый поток газа делают отвод тепла из области генерации простым по сравнению с высокоэнергетическими твердотельными лазерами. Продукты реакции — хлорид калия, вода и кислород; следы хлора и йода удаляются из отработанной смеси галогеновым скруббером (газопромывателем).
Лазер COIL был разработан ВВС США в 1977 году для военных целей. Однако, по своим свойствам он также полезен для промышленной обработки. Пучок можно сфокусировать и передать по оптоволокну, так как эту длину волны слабо поглощает кварц, но очень хорошо поглощают металлы, что делает лазер подходящим для резки и сверления.
Была продемонстрирована резка нержавеющей стали и hastelloy (группа антикоррозийных никельсодержащих сплавов) с использованием кислородно-йодного лазера с заранее отведённым волноводом (fiber-coupled laser в оригинале). В 1996, TRW Inc. удалось создать лазер мощностью в сотни киловатт, работающий в непрерывном режиме несколько секунд. Двадцати-киловаттный лазер был испытан ВВС США около 1998 г. (RADICL: Research Assessment, Device Improvement Chemical Laser).
Вероятно использование кислородно-йодного лазера в качестве компоненты системы ПРО
Газовые лазеры
По характеру возбуждения активной среды газовые лазеры принято подразделять на следующие классы: газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением {см. Оптическая накачка), газовые лазеры с возбуждением заряженными частицами, газодинамические лазеры, химические лазеры.
По типу переходов, на которых возбуждается генерация газового лазера, различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры. По механизмам образования инверсии населенностей выделяют газовые лазеры с возбуждением электронным ударом, с передачей возбуждения от частиц вспомогательных газов, рекомбинационные газовые лазеры, газовые лазеры с прямым оптическим возбуждением, фотодиссоциационные газовые лазеры и др. В ряде случаев реализуются комбинированное возбуждение и сложные механизмы инверсии. С газового лазера получена генерация на более чем 6000 отдельных линиях в очень широкой области спектра от вакуумного УФ до субмиллиметровых волн. Газовому лазеру посвящается примерно половина научных публикаций по лазерам, из них более 60% - газоразрядным лазерам. Конструктивные особенности, мощность генерации, кпд и др. характеристики газового лазера меняются в очень широких пределах. Большое число газовых лазеров различных типов выпускается серийно
Активная среда газоразрядного лазера - плазма, образующаяся при возникновении электрического разряда. Если время нарастания импульса тока меньше времени установления равновесия в плазме, то говорят об импульсном разряде. Наряду с импульсными используются стационарные (квазистационарные) разряды. В газоразрядных лазерах применяют два типа стационарных разрядов - дуговой (в ионных лазерах) и тлеющий (в лазерах на атомных переходах в молекулярных лазерах). Дуговой разряд - сильноточный высокотемпературный разряд с относительно высокой степенью ионизации плазмы. Плотность тока в разряде составляет 102 … 103 А/см2 , температура разряда 103 К; степень ионизации плазмы (отношение концентрации свободных электронов в плазме к концентрации тяжелых частиц) больше единицы. Тлеющий разряд - слаботочный разряд (плотность тока 10-3 … 0,1 А/см2) с низкой степенью ионизации плазмы (10-3); температура разряда соответствует комнатной.
В зависимости от способа возбуждения стационарные разряды разделяются на высокочастотные и постоянного тока. Первые возбуждаются переменным током с частотой 10 … 50 МГц; в этом случае -13- электроды находятся вне газоразрядной трубке
Вторые возбуждаются постоянным током (электроды находятся внутри газоразрядной трубки.
Расположение электродов при высокочастотном возбуждении разряда (а) и при возбуждении током
Эксимерный лазер — разновидность ультрафиолетового химического лазера, широко применяемая в глазной хирургии и полупроводниковом производстве.
Термин эксимер (англ. excited dimer) обозначает возбуждённый димер и обозначает тип материала, использемого в качестве рабочего тела лазера.
Первый эксимерный лазер был представлен в 1971 году Николаем Басовым, В. А. Даниличевым и Ю. М. Поповым, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в г. Москве. Лазер использовал димер ксенона (Xe2), возбуждаемый пучком электронов для получения вынужденного излучения с длиной волны 172 нм. В дальнейшем стали использовать смеси благородных газов с галогенами (например, XeBr), что было запатентовано в 1975 году Джорджем Хартом и Стюартом Сирлесом из исследовательской лаборатории ВМС США.
Лазерное излучение эксимерной молекулы происходит вследствие того, что она имеет «притягивающее» (ассоциативное) возбуждённое состояние и «отталкивающее» (неассоциативное) основное — то есть молекул в основном состоянии не существует. Это объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон высокоинертны и обычно не образуют химических соединений. В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Поэтому появление молекул в возбуждённом связаном состояниии автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в виде спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы.
Несмотря на то, что термин димер относится только к соединению одинаковых атомов, а в большинстве эксимерных лазеров используются смеси благородных газов с галогенами, название прижилось и используется для всех лазеров аналогичной конструкции.
Длина волны эксимерного лазера зависит от состава используемого газа, и обычно лежит в ультрафиолетовой области:
Эксимер
Длина волны
F2
157 нм
ArF
193 нм
KrF
248 нм
XeBr
282 нм
XeCl
308 нм
XeF
351 нм
Эксимерные лазеры обычно работают в импульсном режиме с частотой 100 Гц и длиной импульса около 10 нс, иногда эти значения могут достигать 200 Гц и 30 нс. Мощное ультрафиолетовое излучение таких лазеров позволяет их широко применять в хирургии (особенно глазной), в процессах литографии в полупроводниковом производстве, а также в дерматологии. Сегодня эти устройства довольно громоздки, что является недостатком при широком медицинском применении (см. LASIK), однако их размеры постоянно уменьшаются благодаря современным разработкам.
7.2) Твердотельные лазеры
- рубиновые (694 нм), александритовые (755 нм), Nd:YAG (1064 нм), Ho:YAG (2090 нм), Er:YAG (2940 нм). Используются в медицине.
- Алюмо-иттриевые твердотельные лазеры с неодимовым легированием (Nd:YAG) — инфракрасные лазеры большой мощности, используемые для точной резки, сварки и маркировки изделий из металлов и других материалов
- Кристаллические лазеры с иттербиевым легированием, такие как Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF2, или на основе иттербиевого стекловолокна; обычно работают в диапазоне 1020—1050 нм; потенциально самые высокоэффективные благодаря малому квантовому дефекту; наибольшая мощность сверхкоротких импульсов достигнута на Yb:YAG-лазере. Волоконные лазеры с иттербиевым легированием обладают рекордной непрерывной мощностью среди твердотельных лазеров (десятки киловатт)
- алюмо-иттриевые с эрбиевым легированием, 1645 нм
- алюмо-иттриевые с тулиевым легированием, 2015 нм
- алюмо-иттриевые с гольмиевым легированием, 2096 нм, Эффективный ИК-лазер, излучение поглощается влажными материалами толщиной менее 1 мм. Обычно работает в импульсном режиме и используется в медицине.
- Титан-сапфировые лазеры. Хорошо перестраиваемый по длине волны инфракарасный лазер, используемый для генерации сверхкоротких импульсов и в спектроскопии
- Лазеры на эрбиевом стекле, изготавливаются из специального оптоволокна и используются как усилители в оптических линиях связи.
- Микрочиповые лазеры. Компактные интегрированные импульсные твердотельные лазеры, наиболее широко используются в сверхъярких лазерных указках
7.3) Полупроводниковый лазер
Полупроводниковый лазер, применяемый в узле генерации изображения принтера HP LaserJet 5L
7.4) Полупроводниковые лазерные диоды
Самый распространенный тип лазеров: используются в лазерных указках, лазерных принтерах, телекоммуникациях и оптических носителях информации(CD/DVD). Мощные лазерные диоды используются для накачки современных твердотельных лазеров.
7.5) Лазеры с внешним резонатором
(External-cavity lasers), используются для создания высокоэнергетических импульсов
7.6) Лазеры на красителях
Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор органических красителей в этиловом спирте или этиленгликоле. Позволяют осуществлять пререстройку длины волны излучения в диапазоне от 350 нм до 850 нм (в зависимости от типа красителя). Применение — спектроскопия, медицина (в том числе фотодинамическая терапия), фотохимия.
7.7.) Лазеры с квантовым каскадом
7.8) Лазеры на свободных электронах
7.9) Лазер с солнечным возбуждением
8. Газы для СО2-лазеров
CO2 лазеры шире всего применяются для обработки материалов, т.е. для резки, сварки и обработки поверхности.
Газы для CO2 лазеров обычно содержат смесь гелия, азота и двуокиси углерода. Для некоторых типов лазеров в составе газовой смеси также должны содержаться небольшие количества CO, H2 или Xe. Состав смеси газов для лазера зависит от его типа, мощности и изготовителя. Газы для лазеров обычно поставляются в отдельных баллонах или предварительно смешиваются и поставляются в одном баллоне.
Примеси в смеси газов для лазера могут ухудшить работу CO2 лазера за счет уменьшения его выходной мощности, нарушения стабильности электрического разряда или увеличения расхода газов. Кроме того, примеси влияют на внутренние оптические элементы, например, за счет образования конденсата на охлаждаемых оптических элементах, что изменяет их отражающую способность.
В результате более высокая доля лазерного излучения будет поглощаться оптикой, что приведет к ее повреждению. К счастью, этот процесс начинается очень медленно, и его до некоторой степени можно скомпенсировать изменением настроек оборудования до того, как система выйдет из строя. Дорогостоящий ремонт может служить неприятным последствием этого, однако, незапланированные отключения и прекращение производства также могут вызывать много проблем.
В результате, при оценке газов для лазеров необходимо рассматривать не только их общую чистоту, но также тип и количество примесей, которые могут оставаться в баллонах. В течение нескольких лет хорошо известен факт, что пары воды и углеводороды являются самыми вредными примесями для мощных лазеров, и что необходимо минимизировать содержание паров воды и углеводородов в газах для лазеров.
Однако находящиеся в баллонах достаточно чистые газы могут быть загрязнены во время поступления в лазер, если будет использоваться не соответствующая требованиями системы подачи газа. Представьте, как может повлиять на газы высокой чистоты использование шлангов из неподходящего материала!
Регистрация 
