Устройство и принцип работы лазерного генератора
Устройство лазера
Основные функциональные элементы лазера:
- активная среда — материал, в котором происходит усиление света за счет вынужденного излучения. Это может быть кристалл, газ, полупроводник или легированное оптическое волокно;
- система накачки — передает активной среде энергию, необходимую для создания инверсии населенностей. В зависимости от конструкции используются оптическая или электрическая накачка и другие специализированные способы;
- оптический резонатор — обеспечивает обратную связь и многократное усиление излучения. В классической схеме его образуют два зеркала, а в современных волоконных лазерах аналогичную функцию могут выполнять интегрированные волоконные элементы.
Именно сочетание активной среды, накачки и обратной связи создает условия для генерации лазерного излучения.
Принципиальная схема лазера представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема лазера: 1 – рабочая среда; 2 – энергия накачки лазера; 3 – непрозрачное зеркало; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч
Принцип работы лазера
Работу лазера можно представить как последовательность нескольких процессов.
- Накачка передает энергию активной среде и переводит часть ее частиц в возбужденное состояние.
- Возникает инверсия населенностей — состояние, при котором для рабочего энергетического перехода на верхнем уровне находится больше частиц, чем на нижнем.
- При взаимодействии фотона с возбужденной частицей может произойти вынужденное излучение: появляется второй фотон с согласованными частотой, фазой и направлением распространения.
- В резонаторе процесс многократно повторяется, поэтому интенсивность излучения увеличивается.
- Часть усиленного света выводится из системы в виде направленного лазерного луча.
Именно вынужденное излучение отличает лазер от обычных источников света, где основную роль играет спонтанное излучение. Для поддержания генерации усиление в активной среде должно компенсировать потери в системе.
Что же такое инверсная заселенность?
Из законов квантовой механики следует, что энергия атома вещества (в нашем случае вещества активной части) может принимать только вполне определенные значения E0, E1, E2...En, которые называются энергетически-ми уровнями. Самый низкий уровень E0, при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E1, называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения, а при переходе с высокого уровня на низкий, атом отдает (излучает) энергию в виде фотона.Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в сред-нем за 10–8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.
Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома. Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов (рис. 2).
Рис. 2. Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта
Число атомов на определенном уровне En называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E2 > E1 – инверсной заселенностью. Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна с некоторой заданной частотой. Тогда за счет излучения при вынужденных переходах Е2 > Е1(которых значительно больше, чем актов поглощения E1 < E2) будет происходить ее усиление. Проще говоря, это означает, что каждый пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порожда-ют еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная лавина (рис. 3).
Рис. 3. Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E2 и E3. Переход между уровнями E3 и E2 без излучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1
На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.
В качестве активной среды используют достаточно химически чистые вещества.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т. е. сохранится инверсная заселенность.
Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электри-ческий разряд, химическая реакция и т. п. Кроме того, нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. При этом энергия на-качки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.
После того, как в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль оси резонатора, много-кратно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды из-лучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз (рис. 4).
Рис. 4. Развитие лавинообразно-о процесса генерации в лазере
Чем лазерный генератор отличается от оптического усилителя
Лазерный генератор, или лазерный осциллятор, способен самостоятельно формировать излучение благодаря активной среде и оптической обратной связи в резонаторе.
Оптический усилитель работает иначе: на его вход подается уже существующий оптический сигнал, который усиливается в активной среде за счет вынужденного излучения. Собственной генерации без входного сигнала такой усилитель не обеспечивает.
В современных лазерных системах оба принципа могут объединяться. Например, в архитектуре MOPA задающий лазер формирует исходное излучение, а отдельный усилитель повышает его мощность.
Подробно MOPA здесь раскрывать не нужно, чтобы не создавать пересечение со специализированными статьями.
Основные виды лазеров
По типу активной среды наиболее известны:
- твердотельные лазеры — активная среда представляет собой кристалл или стекло с лазерно-активными примесями;
- газовые лазеры — усиление происходит в газовой среде; к этому классу относятся промышленные CO2-лазеры;
- полупроводниковые, или диодные, лазеры — излучение генерируется в полупроводниковой структуре;
- волоконные лазеры — активной средой служит легированное оптическое волокно. Именно этот тип источников широко применяется в современном оборудовании для лазерной резки, сварки и очистки металла.
Также лазеры различают по режиму работы: излучение может быть непрерывным или импульсным. Конкретная архитектура и параметры источника выбираются под технологическую задачу.
Основные характеристики лазерного источника
Современный лазерный источник характеризуется не одной мощностью. Для конкретной технологии имеют значение:
- длина волны — определяет особенности взаимодействия излучения с материалом;
- выходная мощность — влияет на доступную производительность и область применения;
- режим излучения — непрерывный или импульсный;
- длительность, энергия и частота импульсов — важны для импульсных источников;
- качество лазерного луча — влияет на возможность его фокусировки и плотность мощности в зоне обработки;
- электрооптическая эффективность — показывает, какая часть потребляемой электрической энергии преобразуется в полезное лазерное излучение.
Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются меры для повышения КПД лазеров, ибо низкий КПД приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.
В промышленной металлообработке сегодня широко используются иттербиевые волоконные источники. В них общий принцип лазера реализован с помощью легированного активного волокна и диодной накачки, а конкретная конструкция существенно отличается от классической схемы с отдельными зеркалами.
На оборудовании Senfeng применяются промышленные волоконные источники различных мощностей и конфигураций. Подробнее их устройство и работу можно рассмотреть на примере источников Raycus в отдельном материале «Устройство и принцип работы волоконного лазерного источника».