Типы лазеров 101: ваш гид по классификации лазеров

Лазеры можно классифицировать по различным признакам, обычно по активной среде, методу возбуждения, режиму вывода и диапазону длин волн.

Классификация по активной среде делит лазеры на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые.

Кроме того, лазеры можно разделить по их выходному сигналу на непрерывные и импульсные.

(1) Твердотельные лазеры

В твердотельных лазерах используются такие материалы, как рубин, неодимовое стекло и иттрий-алюминиевый гранат (YAG), в которых небольшое количество ионов равномерно легировано в кристалл или стекло. Допированные ионы, известные как активные ионы, отвечают за лазерное излучение. Ионы переходных металлов, такие как хром (Cr³⁺) и ионы редкоземельных металлов, таких как неодим (Nd³⁺) и эрбий могут служить активными ионами.

Эти лазеры обычно возбуждаются светом, причем распространенными источниками импульсного света являются ксеноновые лампы-вспышки, а непрерывного - криптоновые дуговые лампы, йод-вольфрамовые лампы и рубидиево-калиевые лампы. В небольших лазерах с длительным сроком службы в качестве источника возбуждения могут использоваться светоизлучающие диоды или солнечный свет. Некоторые новые твердотельные лазеры также возбуждаются другими лазерами.

Твердотельные лазеры отличаются компактными размерами, надежностью, простотой использования и высокой выходной мощностью. Их непрерывная мощность может превышать 100 Вт, а пиковая мощность импульсов может достигать 10⁹W. Однако из-за сложного приготовления активной среды они, как правило, стоят дорого.

(2) Газовые лазеры

В газовых лазерах в качестве активной среды используются газы или пары металлов, обычно содержащиеся в разрядной трубке для генерации активных ионов. Основные методы возбуждения включают электрический, аэродинамический, фотонный и химический, причем электрический является наиболее распространенным.

При соответствующих условиях разряда частицы газа избирательно возбуждаются на более высокий энергетический уровень, создавая инверсию числа частиц между этим и более низким энергетическим уровнем, что приводит к переходам вынужденного излучения. Газовые лазеры могут быть атомными, ионными, молекулярными или эксимерными.

В молекулярных газовых лазерах часто используется CO₂ в качестве среды, излучающей преимущественно инфракрасные волны, которые благодаря своему высокому тепловому эффекту широко используются в лазерная резкаВ частности, в медицине и механической обработке, а также в дальнометрии и связи. Эксимерные лазеры излучают в ультрафиолетовом диапазоне и используются в тонкой обработке, фотолитографии и медицине.

Газовые лазеры отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью, удобством, хорошим качеством луча и способностью работать непрерывно и стабильно в течение длительного времени. Это самый разнообразный и широко используемый тип лазеров.

(3) Жидкостные лазеры

Жидкостные лазеры, также известные как лазеры на красителях, используют органические красители в качестве активной среды, растворенные в таких растворителях, как этанол, ацетон или вода, но могут работать и в парообразном состоянии. К распространенным органическим красителям относятся родамин, кумарин и фталоцианин, которые позволяют генерировать различные длины лазерных волн в видимом диапазоне. Жидкостные лазеры часто имеют оптическую накачку, либо от лазеров, либо от ламп-вспышек.

Их диапазон длин волн простирается от ультрафиолетового до инфракрасного (от 321 нм до 1,168 мкм), который может быть расширен до вакуумного ультрафиолетового диапазона с помощью методов удвоения частоты. Преимущества жидкостных лазеров заключаются в перестраиваемом непрерывном выходе в широком диапазоне и используются в основном в научных исследованиях и медицине, таких как лазерная спектроскопия, фотохимия, разделение изотопов и фотобиология.

(4) Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры, также известные как лазерные диоды, используют полупроводниковые материалы в качестве активной среды. Из-за структурных различий процесс лазерной генерации совершенно уникален для разных типов полупроводниковых материалов. К распространенным активным материалам относятся арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CdS), фосфид индия (InP) и сульфид цинка (ZnS).

Существует три основных метода возбуждения: электрическая инжекция, возбуждение электронным пучком и оптическая накачка. Полупроводниковые лазеры делятся на типы с гомопереходом, с одинарным гетеропереходом и с двойным гетеропереходом. Лазеры на гомопереходе и одинарном гетеропереходе обычно работают как импульсные устройства при комнатной температуре, в то время как лазеры на двойном гетеропереходе могут работать непрерывно при комнатной температуре.

Полупроводниковые лазеры компактны, имеют долгий срок службы и легко накачиваются простым подачей тока. Их рабочее напряжение и ток совместимы с интегральными схемами, что позволяет осуществлять монолитную интеграцию. Кроме того, их можно напрямую модулировать на частотах до 50-100 ГГц для получения высокоскоростного лазерного излучения.

Благодаря этим преимуществам полупроводниковые лазеры широко используются в лазерной связи, оптических накопителях, оптических гироскопах, лазерной печати, дальномерах и радарах.

(5) Волоконные лазеры

Волоконные лазеры представляют собой разновидность твердотельных лазеров, активной средой которых является легированное редкоземельными элементами волокно. Источник накачки волоконного лазера состоит из одной или нескольких мощных лазерных диодных матриц. Излучаемый свет накачки попадает в легированное редкоземельными элементами волокно через специализированную структуру накачки. Фотоны на длине волны накачки поглощаются легированной средой волокна, создавая инверсию населенности, что приводит к стимулированному излучению.

Излучаемые световые волны отражаются от зеркал резонатора, колеблются и создают лазерное излучение. Волоконные лазеры обладают высокой эффективностью связи, легко достигают высокой плотности мощности и отлично отводят тепло, избавляя от необходимости использовать громоздкие системы охлаждения. Они могут похвастаться высокой эффективностью преобразования, низкими пороговыми значениями, превосходным качеством луча и узкой шириной линии.

Кроме того, резонатор волоконных лазеров не содержит оптических линз, что обеспечивает отсутствие необходимости в обслуживании, высокую стабильность и чрезвычайно долгий срок службы, превышающий 100 000 часов. В результате волоконные лазеры постепенно вытесняют другие типы лазеров в таких промышленных областях, как резка, маркировка и сварка.