Что такое лазерный резонатор?

Приблизительное время прочтения: 37 минута

Инструмент, который производит лазерный источник света, называется лазерным резонатором, который включает газовый лазер, жидкостный лазер, твердотельный лазер, полупроводниковое оптическое устройство и другие лазеры. Среди них наиболее типичными являются лазеры на CO.₂ газовые лазеры, полупроводниковые лазеры, твердотельные лазеры на YAG и волоконные лазеры.

Базовый состав и разработка лазера

Базовый состав лазера

Хотя существует много видов лазеров, все они создают лазеры за счет возбуждения и стимулированного излучения. Таким образом, основной состав лазеров является фиксированным, обычно состоящим из рабочих материалов (то есть рабочих сред, которые могут вызывать инверсию населенностей после возбуждения), источников возбуждения (энергия, которая может заставить рабочее вещество инвертировать количество частиц, а также известный как источник накачки) и оптический резонатор состоят из трех частей.

Рабочее вещество

При производстве лазера необходимо выбрать подходящий рабочий материал, который может быть газом, жидкостью, твердым телом или полупроводником. В этой среде количество частиц можно изменить на противоположное, чтобы создать необходимые условия для получения лазерного света. Существование метастабильных уровней энергии очень полезно для реализации инверсии населенностей. Существует почти тысяча видов рабочих материалов, и длины волн лазера, которые можно генерировать, охватывают широкий диапазон от вакуумного ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазонов.

Источник возбуждения

Чтобы сделать количество частиц в рабочем веществе обратным, необходимо принять определенный метод для возбуждения системы частиц и увеличения количества частиц на высоких уровнях энергии. Метод газового разряда может использовать электроны с кинетической энергией для возбуждения рабочего вещества, что называется электрическим возбуждением; импульсный источник света также может использоваться для облучения рабочего вещества с целью создания возбуждения, которое называется оптическим возбуждением; есть тепловое возбуждение, химическое возбуждение и так далее. Различные методы стимулирования живо называют накачкой или накачкой. Чтобы непрерывно получать выходную мощность лазера, его необходимо непрерывно накачивать, чтобы поддерживать количество частиц в возбужденном состоянии.

Оптический резонатор

С подходящим рабочим материалом и источником возбуждения может быть достигнута инверсия населенности, но интенсивность индуцированного излучения, генерируемого таким образом, очень мала и не может быть применена. Поэтому люди подумали, что для усиления стимулированного излучения можно использовать оптический резонатор. Оптический резонатор состоит из двух зеркал с определенной геометрической формой и определенным образом совмещенных оптических характеристик отражения. Его основные функции заключаются в следующем.

Обеспечьте возможность оптической обратной связи, чтобы фотоны стимулированного излучения многократно возвращались в резонатор, чтобы сформировать когерентные непрерывные колебания.

Ограничьте направление и частоту колеблющегося луча в резонаторе, чтобы выходной лазер имел определенную направленность и монохроматичность.

Развитие лазеров

Лазер - один из незаменимых основных компонентов в современных системах лазерной обработки. С развитием технологии лазерной обработки лазеры также постоянно продвигаются вперед, и появилось много новых лазеров.

Ранние лазеры для обработки лазерных источников были в основном мощными CO.₂, газовые лазеры и твердотельные лазеры на YAG с ламповой накачкой. С точки зрения истории развития технологии лазерной обработки высококонцентрированный CO₂ а лазеры, появившиеся в середине 1970-х, разработали CO с диффузионным охлаждением.₂ лазеры. В таблице 2.1 показано состояние разработки CO.₂ лазеры.

Тип лазера	Герметичный тип	Тип с медленным осевым потоком	Тип поперечного потока	Тип с быстрым осевым потоком	Турбовентилятор Быстрый осевой поток	Диффузионное охлаждение типа SLAB
Возраст появления	Середина 1970-х	Начало 1980-х	Середина 1980-х	Конец 1980-х	Начало 1990-х	Середина 90-х годов ХХ века
Мощность / Вт	500	1000	20000	5000	10000	5000
Качество луча (M2 фактор	Нестабильный	1.5	10	5	2.5	1.2
Качество луча (Kж/ мм • мрад)	Нестабильный	5	35	17	9	4.5

Ранний CO₂ Лазеры имели тенденцию развиваться в направлении увеличения мощности лазера, но когда мощность лазера достигла определенного уровня, на качество луча лазера обратилось внимание, и разработка лазера сместилась в сторону улучшения качества луча. Недавно плита CO с диффузионным охлаждением₂ Лазер, который близок к дифракционному пределу, имеет хорошее качество луча и широко используется после запуска, особенно в области лазерной резки, и пользуется поддержкой многих компаний.

Совместно₂ К недостаткам лазерного резонатора относятся большой объем, сложная конструкция и сложность обслуживания. Металл не может хорошо поглощать лазер с длиной волны 10,6 мкм, не может использовать оптическое волокно для передачи лазера, а плазма, вызванная временем сварки, имеет серьезные и другие недостатки. Позже твердотельный лазер на YAG с длиной волны 1,06 мкм восполнил недостатки СО.₂ лазер в определенной степени. В ранних твердотельных лазерах на YAG использовались методы ламповой накачки, которые имели такие проблемы, как низкая эффективность лазера (около 3%) и низкое качество луча. С непрерывным развитием лазерной технологии твердотельные лазеры на YAG продолжали развиваться, и появилось много новых лазеров. Состояние разработки твердотельных лазеров на YAG показано в таблице 2.2.

Тип лазера	Лампа накачана	Диод накачанный	Волокно накачано	Чешуйчатый ДИСК	Полупроводник с торцевой накачкой	волоконный лазер
Возраст появления	1980-е годы	Конец 1980-х	Середина 1990-х	Середина 1990-х	Конец 1990-х	Начало 21 века
Мощность / Вт	6000	4400	2000	4000 (прототип)	200	10000
Качество луча (M2 фактор)	70	35	35	7	1.1	70
Качество луча (Kж/ мм • мард)	25	12	12	2.5	0.35	25

Из таблиц 2.1 и 2.2 видно, что помимо постоянного повышения мощности лазера, еще одним важным аспектом развития лазера является постоянное улучшение качества луча лазера. Качество лазерного луча часто играет более важную роль в процессе лазерной обработки, чем мощность лазера.

Разработка производственного лазера с лазер мощность и качество луча показаны на рисунке 2.1.

В начале 21 века появился еще один новый тип лазерно-полупроводникового лазера. По сравнению с традиционным мощным CO₂ лазеры, резонатор и твердотельные лазеры на YAG, полупроводниковые лазеры имеют очевидные технические преимущества, такие как малый размер, легкий вес, высокая эффективность, низкое энергопотребление, длительный срок службы и высокая скорость поглощения металла полупроводниковыми лазерами. С непрерывным развитием полупроводниковой лазерной технологии быстро развивались и другие твердотельные лазеры, основанные на полупроводниковых лазерах, такие как волоконные лазеры, твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой и листовые лазеры. Среди них быстро развиваются волоконные лазеры, особенно волоконные лазеры, легированные редкоземельными элементами, которые широко используются в волоконной связи, оптоволоконном зондировании, лазерной обработке материалов и других областях.

Из CO₂ газовый лазер в волоконный лазер

CO₂ газовый лазер

Лазер, использующий CO₂ в качестве основного рабочего вещества называется СО₂ лазер. Небольшое количество N² и Его необходимо добавить в его рабочее вещество, чтобы улучшить коэффициент усиления, эффективность термостойкости и выходную мощность лазера. CO₂ лазер имеет следующие характеристики.

• Выходная мощность большая. Общая закрытая трубка CO₂ Лазер может иметь непрерывную выходную мощность в десятки ватт, что намного больше, чем у других газовых лазеров. Боковой поток электрически возбужденного СО₂ лазер может иметь непрерывную мощность в десятки киловатт.
• Высокая эффективность преобразования энергии. Эффективность преобразования энергии CO₂ лазеры могут достигать 30% ~ 40%, что превосходит другие газовые лазеры.
• Совместно₂ лазер использует переход между уровнями энергии CO₂ молекулярное колебание и имеет относительно богатый спектр. На выходе лазера наблюдаются десятки спектральных линий вблизи длины волны 10 мкм. СО высокого давления₂ Лазер, разработанный в последние годы, может достигать бесступенчато настраиваемой мощности от 9 до 10 мкм.
• Выходная полоса СО₂ лазер - это точно атмосферное окно (то есть прозрачность атмосферы для этой длины волны относительно высока)
• Кроме того, CO₂ Лазеры также обладают преимуществами высокого качества выходного луча, хорошей когерентности, узкой ширины линии, стабильной работы и т. д., поэтому они широко используются в промышленности и национальной обороне.

Структура CO₂ лазер

Типичный запаянный продольный электрически возбужденный СО₂ лазер Резонатор состоит из лазерной трубки, электродов и резонатора (рисунок 2.2). Наиболее важным компонентом является лазерная трубка из твердого стекла, которая обычно имеет многослойную структуру гильзы. Самый внутренний слой представляет собой газоразрядную трубку, второй слой представляет собой водоохлаждаемую обсадную трубу, а самый внешний слой представляет собой трубку для хранения газа.

Газоразрядная трубка расположена в области положительного столба тлеющего разряда в газовом разряде. Эта область богата частицами, несущими энергию, такими как электроны, ионы, метастабильные частицы и фотоны, что является областью усиления лазера. По этой причине существуют определенные требования к диаметру, длине, округлости и прямолинейности газоразрядной трубки. Большая часть оборудования мощностью менее 100 Вт изготовлена ​​из твердого стекла. Устройства средней мощности (100 ~ 500 Вт) обычно изготавливаются из трубок из кварцевого стекла для обеспечения стабильности мощности или частоты. Диаметр трубки обычно составляет около 10 мм, а длина трубки может быть немного больше.

Рядом с газоразрядной трубкой находится рубашка с холодной водой, функция которой заключается в снижении температуры рабочего газа в трубке, обеспечении реализации в устройстве распределения инверсной населенности и предотвращении нагрева и растрескивания газоразрядной трубки во время процесс возбуждения разряда. Целью добавления корпуса с водяным охлаждением является охлаждение воздуха и газа, чтобы выходная мощность оставалась стабильной. Газоразрядная трубка соединена с трубкой для хранения газа на обоих концах. Один конец трубки для хранения газа имеет небольшое отверстие, сообщающееся с газоразрядной трубкой, а другой конец соединен с газоразрядной трубкой через спиральную возвратную трубку, так что газ может циркулировать в газоразрядной трубке и трубке для хранения газа. Газ в трубе можно обменять на газ в трубе для хранения газа в любое время.

Функция самой внешней трубки для хранения газа заключается в уменьшении изменения состава и давления рабочего газа во время процесса разряда и в повышении механической устойчивости газоразрядной трубки.

Трубка возврата воздуха представляет собой тонкую спиральную трубку, соединяющую два пространства катода и анода, что может улучшить несбалансированное распределение давления между электродами, вызванное явлением электрофореза. Значение диаметра и длины обратного патрубка очень важно. Это не только позволяет газу на катоде быстро течь в область анода для достижения равномерного распределения газа, но также предотвращает явление разряда в возвратной трубе.

Электроды делятся на анодные и катодные. Материал катода требует способности испускать электроны, низкой скорости распыления и способности уменьшать CO.₂. В настоящее время большинство CO₂ и в лазерных резонаторах используются никелевые электроды, а площадь электродов определяется внутренним диаметром газоразрядной трубки и рабочим током. Электроосаждение осуществляется соосно с разрядной трубкой. Размер анода может быть таким же, как у катода, или может быть немного меньше.

Резонансная полость состоит из полного зеркала и выходного зеркала. Зеркала полного отражения средней и малой мощности СО₂ В резонаторах лазеров обычно используются зеркала из позолоченного стекла, потому что золотая пленка имеет высокий коэффициент отражения света 10,6 мкм и химически стабильна. Однако зеркала на стеклянной подложке имеют плохую теплопроводность, поэтому мощный CO₂ В лазерах часто используются металлические зеркала, такие как медные зеркала или зеркала из молибдена, или зеркала, покрытые золотом и диэлектрической пленкой на полированной бескислородной медной подложке из нержавеющей стали. В выходном зеркале обычно используется материал, который может передавать длину волны 10,6 мкм в качестве подложки, и на него наносится многослойная пленка для управления определенным коэффициентом пропускания для достижения наилучшего выхода связи. Обычно используемые материалы - хлорид калия, хлорид натрия, алюминий, мышьяк, селенид цинка, теллурид кадмия и т. Д.

Резонансная полость СО₂ лазер обычно бывает плоским и вогнутым. Общее зеркало изготовлено из оптического стекла К8 или оптического кварца, которое переработано в вогнутое зеркало с большим радиусом кривизны. Поверхность зеркала покрыта металлической пленкой с высоким коэффициентом отражения - позолоченной пленкой на длине волны 10,6 мкм. Коэффициент отражения на месте достигает 98,8%, а химические свойства стабильны.

Свет, излучаемый углекислым газом, является инфракрасным, поэтому в зеркалах с полным отражением должны использоваться материалы, пропускающие инфракрасный свет. Поскольку обычное оптическое стекло непрозрачно для инфракрасного света, необходимо открыть небольшое отверстие в центре всего зеркала, а затем запечатать кусок инфракрасного материала, который может пропускать лазеры 10,6 мкм для герметизации газа, что делает лазер непроницаемым. отдельная резонансная полость является выходом из небольшого отверстия вне полости для формирования луча лазерного света или светового ножа.

Ток разряда отпаянного СО₂ Лазерный резонатор сравнительно небольшой. Используется холодный электрод, а катод изготавливается из листа молибдена или листа никеля цилиндрической формы. Рабочий ток составляет 30 ~ 40 мА, площадь катодного цилиндра составляет 500 см.², чтобы не загрязнять линзу, между катодом и линзой добавлен световой барьер. Насос возбуждается постоянным источником питания постоянного тока.

Выходные характеристики СО₂ лазерная система

Crossflow CO₂ лазерный резонатор. Газовый поток перпендикулярен оси полости. Совместно₂ Лазер с такой структурой имеет низкое качество луча и в основном используется для обработки поверхности материалов и обычно не используется для резки. По сравнению с другими CO₂ лазеры поперечно-поточные CO₂ лазеры обладают высокой выходной мощностью, низким качеством луча и невысокой ценой.

CO с поперечным потоком₂ В лазерах может использоваться возбуждение постоянным током (DC) и возбуждение высокой частоты (HF), а электроды размещаются с обеих сторон плазменной зоны параллельно оси резонатора. Напряжение зажигания и рабочее напряжение плазмы низкие, газ проходит через плазменную зону перпендикулярно лучу, а проход газа, протекающего через систему электродов, очень широк, поэтому сопротивление потоку очень мало, охлаждение плазма очень эффективна, а мощность лазера не слишком велика. Множество ограничений.

Длина этого типа лазера составляет менее 1 м, но он может генерировать мощность 8 кВт. Однако из-за бокового потока газа через плазму этот тип лазера сдувает плазму от основного разрядного контура, в результате чего область плазмы на секции луча более или менее отклоняется в треугольник, качество луча невысокое. , и появляются моды высокого порядка. Если для ограничения режима используется круглое отверстие, симметрия луча может быть в определенной степени улучшена.

Быстрый осевой поток CO₂ лазерный резонатор. Структура представлена на рисунке 2.3. Поток лазерного газа такого типа CO₂ лазер находится по оси резонатора. Выходная мощность СО₂ Мощность лазера с такой структурой колеблется от сотен ватт до 20кВт. Качество выходного луча лучше, и это основная структура, которая в настоящее время используется при лазерной резке.

Быстрый осевой поток CO₂ лазеры могут использовать возбуждение постоянным током (DC) и радиочастотное (RF) возбуждение. Форма плазмы между электродами - тонкий столб. Чтобы предотвратить распространение плазмы в окружающей области, этот тип области разряда часто находится в полой цилиндрической стеклянной трубке или керамической трубке. Плазма может зажигаться и поддерживаться на обоих концах двух кольцевых электродов. Напряжение зажигания и рабочее напряжение зависит от электрода. Максимальное напряжение, используемое на практике, составляет 20 ~ 30 кВ.

Охлаждение циркулирующего газа принимает форму быстрого осевого потока. Чтобы обеспечить эффективную теплопроводность, для достижения этого высокоскоростного потока обычно используются воздуходувки Рутса или вентиляторы с регулируемым колесом, но сопротивление потоку этой геометрической формы относительно высокое, а выходная мощность лазера подвержена определенным ограничениям, таким как мощность лазера всего несколько сотен ватт возбудителя постоянного тока. Выходная мощность лазера ограничена, поэтому несколько охлаждающих разрядных трубок с осевым потоком часто соединяются в оптической форме для обеспечения достаточной мощности лазера.

Поскольку выходная мощность СО₂ Лазерный резонатор в основном зависит от подводимой электрической мощности на единицу объема, РЧ-возбуждение выше, чем возбуждение постоянного тока, а плотность плазмы выше. Лазер с осевым потоком с РЧ-возбуждением, в котором несколько осевых охлаждающих газоразрядных трубок соединены в оптической форме, непрерывный. Выходная мощность может достигать 20 кВт. Осевой CO₂ лазеры, благодаря осевой симметрии плазмы, просты в эксплуатации в основной моде и обеспечивают высокое качество пучка.

Диффузионное охлаждение пластинчатого типа CO₂ лазер. CO с диффузионным охлаждением₂ лазеры похожи на ранее отпаянные CO₂ лазеры. Рабочий газ отпаянного СО₂ Лазер заключен в разрядную трубку и охлаждается за счет теплопроводности. Хотя внешняя стенка разрядной трубки эффективно охлаждается, разрядная трубка может генерировать только 50 Вт лазерной энергии на метр, и невозможно создать компактный высокоэнергетический лазер. CO с диффузионным охлаждением₂ В лазерах также используются газовые методы, но лазеры представляют собой компактные конструкции, газовый разряд, возбуждаемый радиочастотой, возникает между двумя медными электродами большей площади. Электроды могут охлаждаться водяным охлаждением, а узкий зазор между двумя электродами может максимально рассеивать тепло из разрядной полости, так что может быть получена относительно высокая плотность выходной мощности.

Диффузионно-охлаждаемый CO₂ В лазерном резонаторе используется стабильная резонансная полость, состоящая из цилиндрических зеркал. Поскольку оптически нестабильный резонатор может легко адаптироваться к геометрии возбуждаемой лазерной усиливающей среды, диффузионно-охлаждаемый CO₂ Лазер может создавать лазерные лучи с высокой плотностью мощности, а качество лазерного луча высокое, но исходный выходной луч этого типа лазера является прямоугольным, и требуется устройство для формирования отраженного луча с водяным охлаждением, чтобы преобразовать прямоугольный луч в круговой. симметричный лазерный луч. В настоящее время диапазон выходной мощности этого типа лазера составляет 1 ~ 5 кВт.

По сравнению с потоком газа CO₂ лазеры, диффузионное охлаждение пластин CO₂ Лазеры обладают характеристиками компактной и прочной конструкции и обладают выдающимся преимуществом, то есть для практических применений они не должны быть свежими, поскольку поток газа CO₂ лазеры. Рабочий газ лазера, но в головке лазера установлен небольшой цилиндрический контейнер объемом около 10 л для хранения рабочего газа лазера. Это может быть достигнуто с помощью внешнего лазерного устройства подачи рабочего газа и водяного теплообменника постоянного газа. Такое исполнительное агентство работает не один год.

Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер относится к типу лазеров с полупроводником в качестве рабочего материала. По сравнению с другими лазерами полупроводниковые лазеры имеют преимущества небольшого размера, высокой эффективности, простой и прочной конструкции и прямой модуляции. Полупроводниковые лазеры находят важное применение в связи, измерении дальности и обработке информации.

Основа полупроводников

Чистые полупроводники без примесей называются собственными полупроводниками. Если примесные атомы легированы в собственные полупроводники, примесные уровни образуются ниже зоны проводимости и выше валентной зоны, которые называются донорным уровнем и акцепторным уровнем соответственно. На рис. 2.4 показаны примесные уровни монокристаллических полупроводников Si.

Полупроводниковые материалы в основном представляют собой кристаллические структуры. Когда большое количество атомов регулярно и плотно объединено в кристалл, все валентные электроны в кристалле находятся в энергетической зоне кристалла. При приложении внешнего электрического поля электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости и могут свободно перемещаться в зоне проводимости, проводя электричество. Потеря электрона в валентной зоне эквивалентна появлению положительно заряженной дырки, которая также может проводить электричество под действием внешнего электрического поля. Следовательно, дырки в валентной зоне и электроны в зоне проводимости обладают проводящим эффектом, который вместе называют носителями.

Полупроводник с донорным уровнем называется полупроводником n-типа; Полупроводник с акцепторным уровнем называется полупроводником p-типа. При комнатной температуре большинство донорных атомов полупроводников n-типа ионизируются тепловой энергией, и электроны возбуждаются в зону проводимости и становятся свободными электронами. Большинство акцепторных атомов полупроводников p-типа захватывают электроны в валентной зоне и образуют дырки в валентной зоне. Следовательно, полупроводники n-типа в основном проводятся электронами в зоне проводимости; Полупроводники p-типа в основном проходят через дырки в валентной зоне.

В куске полупроводникового материала резкое изменение от области p-типа к области n-типа называется pn переходом. На границе раздела образуется зона пространственного заряда. Электроны в зоне проводимости полупроводника n-типа диффундируют в p-область, а дырки в валентной зоне полупроводника p-типа диффундируют в n-область. Область n-типа около области перехода заряжена положительно, потому что она является донором, а область p-типа около области перехода заряжена отрицательно, поскольку она является акцептором. На границе раздела формируется электрическое поле, направленное из зоны n в зону p, которое называется встроенным электрическим полем (или самоподготовленным электрическим полем). Это электрическое поле предотвращает дальнейшую диффузию электронов и дырок.

Если к полупроводниковому материалу, который образует pn переход, приложено прямое смещение, p-область соединяется с положительным электродом, а n-область соединяется с отрицательным электродом. Электрическое поле прямого напряжения противоположно встроенному электрическому полю pn-перехода, которое ослабляет встроенное электрическое поле, препятствующее диффузии электронов в кристалле, так что свободные электроны в n-зоне постоянно под действием прямого напряжения.

Диффузия в p-область через pn-переход. Когда имеется большое количество электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне одновременно в зоне перехода, они рекомбинируют в зоне инжекции. Когда электроны из зоны проводимости переходят в валентную зону, избыточная энергия излучается в виде света. публично заявить. Это механизм электролюминесценции полупроводников, и эта спонтанная рекомбинационная люминесценция называется спонтанным излучением.

Чтобы заставить pn переход генерировать лазерный свет, необходимо сформировать инверсионное распределение частиц в области перехода, использовать сильно легированный полупроводниковый материал, а ток, вводимый в pn переход, должен быть достаточно большим (например, 30 кА / см²). Таким образом, в локальной области pn-перехода может быть сформировано состояние с обратным распределением большего количества электронов в зоне проводимости, чем дырок в валентной зоне, тем самым генерируя стимулированное излучение и испуская лазерный свет.

Оптический резонатор резонатора полупроводникового лазера состоит из плоскости скола (110 граней), перпендикулярной плоскости pn-перехода. Его коэффициент отражения составляет 35%, чего достаточно, чтобы вызвать генерацию лазера. Если необходимо увеличить коэффициент отражения, слой SiO₂ может быть нанесен на поверхность кристалла, а затем может быть нанесен слой металлической серебряной пленки для получения коэффициента отражения более 95%.

Когда к полупроводниковому лазеру прикладывается прямое смещение, в области перехода происходит инверсия населенностей и происходит рекомбинация.

Условия стимулированного излучения полупроводников.

Полупроводниковые лазеры работают за счет инжекции носителей, а излучающие лазеры должны удовлетворять следующим трем основным условиям.

• Необходимо обеспечить достаточное распределение инверсной населенности, то есть количество частиц в высокоэнергетическом состоянии значительно больше, чем количество частиц в низкоэнергетическом состоянии.
• Существует подходящая резонансная полость, которая может играть роль обратной связи, так что фотоны стимулированного излучения распространяются и создают лазерные колебания.
• Должно быть соблюдено определенное пороговое условие, чтобы коэффициент усиления фотонов был равен или больше потерь фотонов.

Полупроводниковый лазер с гомопереходом инжекционного типа

Резонатор полупроводникового лазера на GaAs с гомопереходом инжекционного типа является первым успешно разработанным полупроводниковым лазером. Однородный переход относится к pn-переходу, состоящему из полупроводников p-типа и n-типа с одним и тем же матричным материалом (например, GaAs), а тип инжекции относится к методу накачки, который напрямую возбуждает полупроводниковый лазер и вводит ток для возбуждения рабочего вещества. .

На рис. 2.5 (а) показан типичный внешний вид этого лазера. На кожухе трубки есть небольшое окно для вывода лазера, а электрод на нижнем конце трубки используется для внешнего источника питания. Внутри корпуса находится лазерная матрица, как показано на Рисунке 2.5 (b). Существует множество форм штампа, на рис. 2.5 (c) схематически изображена структура меза-образного штампа. Толщина pn перехода составляет всего несколько десятков микрон. Обычно тонкий слой GaAs p-типа выращивается на дне поселка GaAs n-типа для формирования pn-перехода.

Резонансный резонатор лазера обычно использует две торцевые поверхности, перпендикулярные pn переходу. Показатель преломления GaAs равен 3,6, а коэффициент отражения света, перпендикулярного торцевой поверхности, равен 32%. Чтобы увеличить выходную мощность и снизить рабочий ток, одна из отражающих поверхностей обычно покрывается золотом.

Полупроводниковый лазер на гетеропереходе

Исследования показали, что полупроводниковым лазерам с гомопереходом сложно получить низкие пороговые токи и обеспечить непрерывную работу при комнатной температуре. Поэтому на этой основе люди разработали лазеры на гетеропереходах. Лазеры на гетеропереходе также относятся к лазерам с одинарным гетеропереходом (SH) и лазерам с двойным гетеропереходом (SH). Лазер на массовом переходе (DH).

Полупроводниковый лазер с одинарным гетеропереходом. На рисунке 2.6 показана структура одиночного лазера на гетеропереходе (GaAs-P-Ga_1-хAl_ИксAs) и схематическая диаграмма изменения энергетической полосы, изменения показателя преломления и распределения интенсивности света в каждой области. Видно, что после добавления гетерогенного материала GaAs-P-Ga_1-хAl_ИксЧто касается стороны P-GaAs, то межфазный электронный энергетический барьер заставляет электроны, инжектированные в P-GaAs из N-GaAs, могут удерживаться только в P-зоне, чтобы рекомбинировать и генерировать фотоны. Из-за изменения показателя преломления на границе раздела P-GaAs и P-Ga_1-хAl_ИксAs фотоны, генерируемые рекомбинацией в активной области, отражаются и удерживаются в слое P-GaAs.

Эффект ограничения гетероперехода электронов и фотонов снижает их потери, так что пороговая плотность тока одиночного лазера на гетеропереходе при комнатной температуре снижается до 8KA / см.².

В лазерном источнике с одним гетеропереходом гетеропереход играет роль в ограничении диффузии носителей, но он не используется для инжекции, поэтому значение x обычно выбирается относительно большим, например 0,3 <x<0.5. In a semiconductor laser resonator, the thickness d of the active region is critical. If d is too large, it will lose the meaning of carrier limitation, and if d is too small, it will increase the loss. In single heterojunction lasers, d≈2чm is generally adopted.

Источник полупроводникового лазера с двойным гетеропереходом. Жидкофазная эпитаксия использовалась для последовательного выращивания N-Ga_1-хAl_ИксAs, P-GaAs, P-Ga_1-хAl_ИксТонкие слои монокристалла As, As на дне поселка N-GaAs. Есть N- Ga_1-хAl_ИксКак, так и слои P- Ga_1-хAl_ИксТак как слои по обе стороны от активной области P-GaAs, образующие N-Ga_1-хAl_ИксAs / P-GaAs и P-GaAs / P-Ga_1-хAl_ИксПоскольку два гетероперехода N-Ga_1-хAl_ИксAs и P-Ga_1-хAl_ИксКак показано на Рисунке 2.7.

На рисунке 2.8 показаны энергетическая полоса, показатель преломления и распределение интенсивности света лазера с двойным гетеропереходом. Активная область P-GaAs зажата между двумя широкозонными Ga_1-хAl_ИксКак слои. Для этой структуры из-за ее симметрии она больше не ограничивается только инжекцией электронов. Структура с двойным гетеропереходом позволяет эффективно использовать как инжекцию электронов, так и инжекцию дырок. Если ширина активной области меньше, чем длина диффузии носителей, большая часть носителей может диффундировать в активную область до рекомбинации. Достигнув гетероперехода, они отталкиваются потенциальным барьером и остаются в активной области. Если толщина активной области d намного меньше диффузионной длины носителей, носители будут равномерно заполнять активную область. Для этого типа лазера рекомбинация происходит почти равномерно в активной области.

Поскольку обе стороны активной области представляют собой широкополосные материалы, эффективный показатель преломления скачкообразный по иерархии, так что фотоны удерживаются в активной области, а распределение светового поля также является симметричным. Двойной гетеропереход может эффективно ограничивать носители и фотоны, поэтому пороговая плотность тока лазера значительно снижается, и достигается непрерывная работа лазера при комнатной температуре.

После того, как лазер с двойным гетеропереходом достигнет непрерывной работы при комнатной температуре, острой проблемой станет увеличение срока службы устройства, что может начаться с решения проблемы структуры активной области и рассеивания тепла. С различными требованиями существует несколько структур лазеров с двойным гетеропереходом, наиболее типичной из которых является лазер с двойным гетеропереходом (DH). В GaAs / Ga_1-хAl_ИксЧто касается DH-лазеров, ширина запрещенной зоны GaAs соответствует длине волны лазера около 0,89 мкм. Лазеры InP / InGaAsP DH покрывают диапазон 0,92 ~ 1,65 мкм. Поскольку самые низкие потери в оптическом волокне составляют 1,3 ~ 1,6 мкм, InP / InGaAsP DH-лазеры имеют важное применение в системах оптоволоконной связи на большие расстояния, в то время как GaAs / Ga_1-хAl_ИксПоскольку лазеры DH часто используются в системах оптоволоконной связи на короткие расстояния.

YAG твердотельный лазер

Ядром лазерного излучения является рабочее вещество лазера (то есть рабочее вещество, содержащее метастабильный уровень энергии) в лазере, которое может реализовать инверсию населенностей, например, лазер, рабочее вещество которого является кристаллическим или стеклянным, которое называется кристаллом лазер и стеклянный лазер соответственно. Обычно эти два типа лазеров вместе называют твердотельными лазерами. Среди лазеров первым был разработан твердотельный лазер. Этот вид лазера имеет небольшие размеры, высокую выходную мощность и удобное применение. Есть три основных рабочих материала для твердотельных лазеров; иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd: YAG), с длиной волны излучения 1,06 мкм, белый и синий; неодимовое стекло, с длиной волны излучения 1,06 мкм, пурпурно-синего цвета; рубиновый, длина волны на выходе 0,694 мкм, красный цвет.

YAG-лазеры являются наиболее распространенным типом твердотельных лазеров. Лазеры на YAG появились позже, чем лазеры на рубиновом и неодимовом стекле. В 1964 г. были успешно разработаны кристаллы YAG. После нескольких лет упорной работы оптические и физические свойства кристаллических материалов YAG постоянно улучшались, и процесс получения кристаллов YAG большого размера был преодолен. К 1971 году можно было вытягивать крупногабаритные кристаллы Nd: YAG диаметром 40 мм и длиной 200 мм, что обеспечивало высококачественные кристаллы по умеренной цене для разработки YAG-лазеров и способствовало развитию YAG-лазеров. лазеры.

В 1970-х годах разработка лазеров привела к резкому росту исследований и применений YAG-лазеров. Исследовательские институты во многих промышленно развитых странах вложили много трудовых и финансовых ресурсов в изучение способов повышения эффективности, мощности и надежности YAG-лазеров и решения инженерных задач. Некоторые прикладные результаты были достигнуты в области лазерной локации, лазерного радара, лазерной промышленной обработки и лазерного лечения. Например, лазерный прецизионный радар слежения YAG (система PATS) успешно использовался в области измерения ракет в 1971 году американской компанией Silvania. В 1980-х годах исследования и применение YAG-лазеров достигли зрелости и вступили в период быстрого развития, став основным направлением разработки и применения различных лазеров.

Структура YAG-лазера

Вообще говоря, YAG-лазер относится к Nd: YAG-лазеру, легированному трехвалентным Nd.³⁺ в кристалле иттрий-алюминиевого граната (АИГ). Он излучает лазерный источник ближнего инфракрасного диапазона с 1,06 мкм и представляет собой твердотельный лазер, который может непрерывно работать при комнатной температуре. В импульсных лазерах малой и средней мощности Nd: YAG-лазеры в настоящее время используются в количествах, гораздо более широких, чем другие лазеры. Мощность одиночного импульса, излучаемая этим лазером, может достигать 107 Вт или выше, что позволяет обрабатывать материалы с чрезвычайно высокой скоростью. YAG-лазеры имеют высокую энергию, высокую пиковую мощность, компактную структуру, прочность и долговечность, надежную работу, безопасную обработку, простое управление и т. Д. Особенности, они широко используются в промышленности, национальной обороне, медицине, научных исследованиях и других областях. Кристалл Nd: YAG имеет отличные термические свойства и очень подходит для изготовления непрерывных и повторяющихся лазерных устройств.

YAG-лазер включает в себя стержень источника YAG-лазера, ксеноновую лампу, резонатор конденсатора, добротный переключатель, поляризатор, полное зеркало, полунезависимую обратную связь и т. Д., Структура показана на рисунке 2.9

Рабочей средой микрооптического устройства из YAG является стержень из Nd: YAG, стороны имеют шероховатую поверхность, два конца отшлифованы до плоскости, на него нанесено просветляющее покрытие. Кристалл с удвоением частоты использует кристалл оксида тетаника (KTP) с антибликовым покрытием с обеих сторон. Резонатор для лазерной спектроскопии имеет плоско-вогнутую стабильную полость, длина полости составляет 530 мм, а радиус кривизны плоско-вогнутого полного зеркала составляет 2 м. Пожалуйста, используйте кварцевые линзы с высоким коэффициентом пропускания и отражения для зеркала гальванометра, а частота модуляции устройства Q-переключателя регулируется.

Резонансная полость лазера представляет собой сложенную полость с тремя зеркалами с резонансом спектральной линии 1,3 мм, включая два модуля накачки полупроводникового лазера, каждый модуль состоит из матриц непрерывных полупроводниковых лазеров (LD) мощностью 20 Вт с центральной длиной волны 808 нм, а общая ширина спектральной линии Менее 3 нм, размер лазерного кристалла 3 мм × 75 мм Nd: YAG, концентрация легирования составляет 1,0%, а лазерный кварцевый вращатель на 90 ° вставлен между двумя модулями накачки LD для компенсации термически индуцированного эффекта двойного лучепреломления. .

Стабильные области резонансной полости радиально поляризованного света и радиально поляризованного света перекрывают друг друга, что способствует увеличению выходной мощности и улучшению качества луча. Акустооптический переключатель добротности с высокими дифракционными потерями используется для генерации импульсного выхода с модуляцией добротности, а частоту повторения можно регулировать в диапазоне 1 ~ 50 кГц. Разработанная резонансная полость обеспечивает реальный фокус на сложенном плече для увеличения плотности мощности, что способствует нелинейному преобразованию частоты.

Зеркало Plano M₁ покрыто 1319 нм, 659. Система двойной пленки с высоким коэффициентом отражения 4 нм, плоско-вогнутое зеркало M₂ - выходное зеркало связи, а плосковогнутое зеркало M₃ представляет собой трехволновую пленку с высоким коэффициентом отражения 1319 нм, 659 нм, 440 нм. Поскольку интенсивность спектральной линии 1064 нм кристалла Nd: YAG в три раза больше, чем длина волны 1319 нм, M₁, М₂, М₃Конструкция зеркала резонатора требует, чтобы коэффициент пропускания на длине волны 1064 нм был больше 60%, что очень важно для подавления генерации лазера на длине волны 1064 нм. из.

Чтобы уменьшить вносимые потери в полости, все компоненты в полости должны быть покрыты антибликовым покрытием. Полупроводниковый лазер не добавляет никаких формующих элементов или компонентов оптического изображения, а кристалл Nd: YAG накачивается со смежных 120 ° направлений. Оптимизируя параметры накачки, можно получить относительно однородный профиль усиления, подобный гауссовскому. Эта конструкция проста, компактна и практична, и ее можно лучше согласовать с собственной модой резонатора, что способствует повышению эффективности извлечения энергии и качества пучка.

Поскольку кристалл трибемата лития (LBO) имеет высокий порог повреждения, низкое поглощение света основной частоты и свет с удвоенной частотой, он может обеспечить согласование по фазе с двойной частотой и тройной частотой 1319 нм и имеет преимущества подходящих эффективных нелинейных коэффициентов, поэтому выберите два Кристаллы LBO используются как кристаллы для внутрирезонаторного удвоения частоты и внутрирезонаторной суммарной частоты.

Выходные характеристики YAG-лазера

• Nd: YAG-лазер с ламповой накачкой. Структура показана на Рисунке 2.10 и Рисунке 2.11. Усиливающая среда Nd: YAG имеет форму стержня и часто располагается на фокальной линии полости конденсатора отражения в виде двойного сахарного круга. Две лампы накачки расположены на двух внешних фокальных линиях двойного эллипса, и охлаждающая вода течет между лампой накачки и лазерным стержнем с гильзой из стеклянной трубки.
• В мощных лазерах тепловой эффект лазерного стержня ограничивает максимальную выходную мощность каждого лазерного стержня. Тепло внутри лазерного стержня и охлаждение поверхности лазерного стержня вызывают температурный градиент кристалла, так что максимальная мощность накачки должна быть ниже, чем может вызвать повреждение. Предел стресса. Диапазон эффективной мощности одностержневого Nd: YAG-лазера составляет 50 ~ 800 Вт. Лазеры на Nd: YAG большей мощности могут быть получены путем последовательного соединения лазерных стержней Nd: YAG.
• Nd: YAG-лазер с диодной накачкой. Структура Nd: YAG-лазера с диодной накачкой показана на рис. 2.12, а в качестве источника света накачки используется полупроводниковый лазер GaAlAs.
• Использование полупроводникового лазера в качестве источника накачки увеличивает срок службы компонентов и устраняет необходимость регулярной замены лампы накачки при использовании ламповой накачки. Nd: YAG-лазер с диодной накачкой имеет более высокую надежность и более длительное время работы.
• Высокая эффективность преобразования Nd: YAG-лазера с диодной накачкой обусловлена хорошим спектральным согласованием между спектром излучения полупроводникового лазера и поглощением Nd: YAG. Полупроводниковый лазер GaAIAs излучает узкополосную волну. Точно регулируя содержание Al, он может излучать свет с длиной волны 808 нм, что находится в полосе поглощения Nd.³⁺ частицы. Эффективность электрооптического преобразования полупроводниковых лазеров составляет примерно 40%-50%, что является причиной того, что Nd с диодной накачкой; YAG-лазеры могут достигать эффективности преобразования более 10%. В то время как лампа возбуждается для получения белого света, кристалл Nd: YAG поглощает только небольшую часть спектра, что приводит к ее низкой эффективности.

Волоконный лазер

Классификация волоконных лазеров

Волоконные лазеры - это лазеры, в которых в качестве источника лазерного излучения используются оптические волокна. По механизму стимулирования его можно разделить на следующие четыре категории.

• Волоконный лазерный источник, легированный редкоземельными элементами, путем легирования различных ионов редкоземельных элементов в материал волоконной матрицы для получения лазерного излучения с требуемым диапазоном длин волн.
• Волоконные лазеры, созданные с использованием нелинейных эффектов волокон, таких как вынужденное комбинационное рассеяние света (ВКР) и т. Д.
• Монокристаллические волоконные лазеры, в том числе рубиновые монокристаллические волоконные лазеры, одиночные волоконные лазеры на Nd: YAG и т. Д.
• Волоконный лазер на красителе, заполняя пластиковую сердцевину или оболочку красителем для получения лазерного излучения.

Среди этих типов волоконных лазеров волоконные лазеры и усилители, легированные ионами редкоземельных элементов, являются наиболее важными и быстро развиваются. Они были применены в областях волоконной связи, измерения волокон и лазерной обработки материалов, в этом типе лазеров.

Волноводный принцип волоконного лазера

Геометрическая структура источника однослойного волоконного лазера показана на рис. 2.13. По сравнению с источниками твердотельных лазеров, волоконные лазеры имеют по крайней мере один свободный путь луча, сформированный в лазерном резонаторе, а формирование и введение луча в волоконные лазеры реализованы в оптических волноводах. Как правило, в основе этих оптических волноводов лежат оптоэлектронные диэлектрические материалы, легированные редкоземельными элементами. Например, кремний, фосфатное стекло и фторидное стекло демонстрируют ослабление около 10 дБ / км, что на несколько порядков меньше, чем у кристаллов твердотельных лазеров. По сравнению с кристаллическими твердыми материалами полосы поглощения и излучения редкоземельных ионов имеют расширенный спектр. Это связано с тем, что взаимодействие стеклянной подложки снижает стабильность частоты и требуемую ширину источника света накачки. Поэтому необходимо выбирать источник накачки лазерного диода с подходящей длиной волны для волоконных лазеров.

Оптическое волокно содержит активную сердцевину, легированную редкоземельными элементами, с показателем преломления n₁, обычно окруженный слоем оболочки из чистого кварцевого стекла, а показатель преломления оболочки равен n₂<n₁. Следовательно, на основе полного отражения внутри границы раздела между сердцевиной и оболочкой волновод создается в слое сердцевины. Для излучения накачки и лазерного излучения сердцевина волоконного лазера является одновременно активной средой и волноводом. Все оптическое волокно защищено от внешних воздействий внешним полимерным слоем.

В волоконных лазерах с оптическим возбуждением излучение накачки подводится к сердцевине лазера через поверхность волокна. Однако при осевой накачке излучение накачки должно быть введено в волновод толщиной всего несколько микрон. Поэтому для возбуждения многомодового волокна необходимо использовать высокопрозрачный источник излучения накачки, а текущая выходная мощность источника излучения ограничивается примерно 1 Вт. Для пропорционального увеличения мощности накачки необходимо согласовать параметры пучка волокна с большим отверстием и массивом мощных полупроводниковых лазеров. Однако увеличенная активная сердцевина волокна допускает более высокие колебания поперечной моды, что приводит к ухудшению качества луча. В настоящее время используется конструкция с двойной оболочкой, то есть изолированный слой сердцевины используется для накачки и излучения лазеров, и могут быть получены хорошие результаты.

Волоконный лазер с двойной оболочкой

Двухслойное легированное волокно состоит из четырех частей: сердцевины, внутренней оболочки, внешней оболочки и защитного слоя.

Функция сердцевины волокна состоит в том, чтобы поглощать входящий свет накачки и ограничивать излучаемый лазерный свет в сердцевине; В качестве волновода ограничьте прохождение лазерного света в сердечнике и управляйте режимом.

Роль внутреннего слоя оболочки заключается в том, чтобы обернуть сердечник и ограничить излучаемый лазерный свет внутри сердечника; В качестве волновода многомодовая передача света накачки, связанного с внутренним слоем оболочки, заставляет его отражаться назад и вперед между внутренним слоем оболочки и внешним слоем оболочки. Пройдите через сердцевину одномодового волокна и поглотитесь

В волоконных лазерах с двойной оболочкой излучение накачки излучается не непосредственно в активный слой сердцевины, а в окружающий многомодовый слой сердцевины. Слой сердцевины насоса также похож на слой оболочки. Чтобы реализовать характеристики оптического волновода от слоя сердцевины накачки до слоя активной сердцевины, окружающее покрытие должно иметь небольшой показатель преломления. Обычно используется кварцевое стекло, легированное фтором, или высокопрозрачный полимер с низким показателем преломления. Типичный диаметр сердечника насоса составляет несколько сотен микрон, а его числовая апертура NA ≈ 0,32 ~ 0,7, как показано на рисунке 2.14.

Излучение, испускаемое в сердцевину накачки, попадает в сердцевину лазера по всей длине волокна, где оно поглощается редкоземельными ионами, и возбуждается весь свет высокого уровня. Используя эту технологию, многомодовое излучение накачки может быть эффективно преобразовано из мощных полупроводниковых лазеров в лазерное излучение, и оно имеет отличное качество луча.

Технические характеристики источника волоконного лазера

Волоконные лазеры дают возможность преодолеть ограничение калиброванной выходной мощности твердотельных лазеров при сохранении качества луча. Качество конечного лазерного луча зависит от профиля показателя преломления волокна, а профиль показателя преломления волокна в конечном итоге зависит от геометрического размера и числовой апертуры активированного волновода. При распространении основной моды колебания лазера не имеют ничего общего с внешними факторами. Это означает, что по сравнению с другими твердотельными лазерами (даже с полупроводниковой накачкой) волоконные лазеры не обладают термооптическими эффектами.

Эффект призмы, вызванный нагревом, и эффект двойного лучепреломления, вызванный давлением в активной зоне, приведут к снижению качества луча. Когда энергия накачки передается, волоконный лазер не обнаруживает снижения эффективности даже при большой мощности.

Для источника волоконного лазера тепловая нагрузка, вызванная процессом накачки, будет увеличиваться на большую площадь. Из-за большего отношения площади поверхности к объему тепловой эффект легче устранить. Следовательно, повышение температуры сердцевины волоконного лазера невелико по сравнению с твердотельными полупроводниковыми лазерами накачки. Следовательно, когда лазер работает, квантовая эффективность снижается из-за повышения температуры, которая играет второстепенную роль в волоконных лазерах.

В совокупности источники волоконных лазеров имеют следующие основные преимущества.

• Оптическое волокно в качестве среды с направляемой волной имеет высокую эффективность связи, малый диаметр сердцевины, высокую плотность мощности, легко формируемую в сердцевине, и его можно легко эффективно подключить к существующей волоконно-оптической системе связи, а сформированный лазер имеет высокую эффективность преобразования и низкую лазерный порог., Качество выходного луча хорошее, а ширина линии мала.
• Поскольку оптическое волокно имеет большое отношение поверхности к объему, эффект рассеивания тепла хороший, а температура окружающей среды может составлять от -20 до + 70 ℃, без огромной системы водяного охлаждения, только с простым воздушным охлаждением.
• Он может работать в суровых условиях, таких как сильные удары, высокая вибрация, высокая температура и запыленность.
• Поскольку оптическое волокно обладает превосходной гибкостью, лазер может быть небольшим и гибким, компактным по внешнему виду, простым в интеграции в систему и экономичным.
• Имеет довольно много настраиваемых параметров и избирательность. Например, брэгговская волоконная решетка с соответствующей длиной волны и коэффициентом пропускания прямо записывается на обоих концах волокна с двойной оболочкой, чтобы заменить резонансную полость, образованную зеркальным отражением. Полноволоконный рамановский лазер состоит из однонаправленного волоконного кольца и круглого волновода. Сигнал в резонаторе напрямую усиливается светом накачки без инверсии населенности.