книги / Промышленное применение лазеров
..pdfРентгеновские лазеры (Х<100 нм)
Развитие этих лазеров обусловлено требованиями развития нано
технологий (особенно в области |
микроэлектроники), применениями |
|
в оптической микроскопии, голографии, в перспективных |
системах |
|
противоракетной обороны и т.д. |
|
|
Энергия кванта излучения |
в рентгеновских областях |
спектра |
составляет десятки и даже сотни электронвольт, что создает большие трудности при разработке подходящих активных сред с нужным спектром энергетических уровней. Кроме того, в рентгеновском диа пазоне возрастает роль спонтанных переходов, поскольку отношение их вероятности к вероятности индуцированного излучения пропор ционально кубу частоты Атп/Вт &v3, что затрудняет генерацию ин дуцированного излучения.
В качестве активных сред в рентгеновских лазерах используют ся плазменные среды с многократно ионизированными атомами. Энергетические состояния этих атомов по своей структуре аналогич ны энергетической структуре эквивалентных атомов с той лишь раз ницей, что значение энергии уровней ионов будет намного больше, чем нейтральных атомов.
Получение плазмы с такими многократно ионизированными (многоразрядными) ионами возможно только в установках типа тех, которые используются для термоядерного синтеза, поэтому это огра ничивает их применение в настоящее время. Однако в силу важности отмеченных выше применений работы по созданию этих лазеров в развитых странах проводятся достаточно интенсивно. К данному моменту времени получена лазерная генерация в режиме сверхко ротких импульсов на Se24~ Ar8~ Ag37~ и ряде других элементов в диапазоне длин волн 3^-50 нм.
Лазеры на свободных электронах
Этот тип лазеров использует основные преимущества, зало женные в работу электронных вакуумных приборов с динамическим управлением- В лазерах на свободных электронах используются электронные потоки, ускоренные до релятивистских скоростей
и движущиеся через ондулятор. Ондулятор представляет собой уст ройство с периодически изменяющимся электрическим или магнит ным полем. В магнитном ондуляторе поле формируется набором расположенных друг за другом магнитов с чередующейся полярно стью. Кроме поступательного движения электроны под действием периодического магнитного поля совершают периодические колеба ния. Периодические колебания (осцилляции) электронов сопровож даются электромагнитным излучением с частотой v0 « VIX, где V- скорость переносного (продольного) движения электронов, X - пери од изменения магнитного поля.
Расчеты показывают: чтобы излучение электронов попало в ви димый диапазон спектра, необходимо разогнать электроны до энер гии в 50 МэВ при А,=1 см. Современные ускорители заргженных час тиц позволяют разогнать электроны до энергий, превышающих 500 МэВ, что будет соответствовать излучению в начале рентгенов ского диапазона.
2.3.3. П олупроводниковы е лазерьк
Широкое распространение получили твердотельные лазеры на обычных полупроводниковых /T-w-переходах (лазерные диоды) или многослойных гетеропереходах с использованием так называемых твердых растворов (гетеролазеры). Одно из главных отличий полу проводникового лазера от лазеров других типов состоит в том, что индуцированные переходы происходят не между узкими уровнями энергии, а между энергетическими зонами.
В качестве активного вещества в полупроводниковых лазерах применяют обычно арсенид галлия, а также кремний с примесью индия, фосфат 1шглия, арсенид индия и другие полупроводниковые материалы.
Полупроводниковые вещества как излучающие среды подраз деляются на прямозонные и непрямозонные, в которых соответст венно реализуются прямые и непрямые переходы. Физическая при чина их различия определяется законом дисперсии Е =/ (р), т.е. за висимостью энергии состояния Е от квазиимпульса р.
Впрямозонных полупроводниках GaAs, InP, InSb и др. максимум Е(р) в валентаой зоне (ВЗ) и минимум Цр) в зоне проводимости (ЗП) соответствуют одинаковым р. Достоинство прямозонных полупровод ников - большая вероятность излучательного межзонного перехода.
Вполупроводниках типа Ge, Si. SiC, GaP, AlAs (непрямозонные полупроводники) экстремумы зон смещены, поэтому переходы меж ду ними сопровождаются большим изменением квазиимпульсов, причем последние превышают квазиимпульсы фотонов. По закону сохранения квазиимпульса излучательный переход без участия третьих тел в таких полупроводниках запрещен. В этом случае необ ходимо участие фононов, воспринимающих изменение квазиимпуль са частиц при их межзонном переходе. При «непрямых» переходах излучательная рекомбинация свободных носителей тока, находящих ся в энергетических состояниях на краях соответствующих зон, зна чительно меньше безызлучательной рекомбинации через примеси.
Бинарные соединения обычно изготавливаются в виде крупных слитков, большинство твердых многокомпонентных растворов вы ращивается в виде эпитаксиальных слоев. Для лазеров на основе ге теропереходов, работающих при повышенных температурах, важную роль играют соединения с одинаковыми периодами решетки (изопериодические пары). К ним относятся растворы, образуемые взаим ным замещением галлия и алюминия, поскольку оба этих элемента имеют близкие ковалентные радиусы. В таких растворах, как AlGaAs, AtGaPAs, AIGaSb, период решетки остается почти постоян ным при изменении соотношения алюминия и галлия, тогда как ши рина запрещенной зоны Eg значительно изменяется. Многослойные гетероэпитаксиальные структуры на основе изопериодических соста вов AlGaAs позволили создать эффективные инжекционные лазеры
вдиапазоне волн 0,62-Ю,9 мкм.
Новые возможности создания изопериодических пар связаны с четырехкомпонентными твердыми растворами, например GalnPAs. Изопериодичность решетки в них достигается дозированным добав лением к InP примесей Ga и As, причем влияние обеих примесей на период решетки взаимно компенсируется.
Конструкция полупроводникового лазера напоминает конст рукцию плоского диода. Поэтому эти лазеры называют диодными лазерами (рис. 2.17). Накачка таких лазеров обеспечивается Пропус канием электрического тока через полупроводниковый материал.
Рис. 2.17. Схема полупроводникового лазера: У- излучение: 2 - 2 , 6 - металлический контакт; 3 - р - область; 4 - /т-п-переход; 5 - /7-область; 7 - электрод
Конструктивными особенностями полупроводниковых лазеров являются полосковая геометрия активной зоны (рис. 2.18) и различ ная расходимость излучения в ортогональных сечениях: большая в поперечном, меньшая в продольном. Высокий коэффициент усиле ния позволяет полупроводниковым лазерам генерировать даже в от сутствие зеркал резонатора, т.к для обратной связи достаточно отра жения на боковых гранях кристалла.
Рис. 2.18. Конструкция полупроводникового лазера
В инжекционном полупроводниковом гомолазере активным эле ментом служит монокристалл арсенида галлия GaAs в форме паралле лепипеда с размером сторон в несколько десятых долей миллиметра. В монокристалле арсенида галлия создан электронно-дырочный пере ход. Монокристалл укрепляется в массивном медном корпусе, служа щем для отвода тепла. Две противоположные грани полупроводнико вой пластины, перпендикулярные плоскости перехода, образуют оп тический резонатор. Отражающие поверхности резонатора чаще всего получают путем скола кристалла вдоль кристаллографической плос кости, что обеспечивает получение идеально ровных и параллельных поверхностей. Ввиду значительного коэффициента преломления света на границе воздух-арсенид галлия коэффициент: отражения от поверх ностей резонатора составляет величину порядка 0,3, что достаточно для реализации условий самовозбуждения. Остальные четыре грани полупроводникового кристалла для исключения возникновения пара зитных колебаний делают шероховатыми.
Состояние инверсной населенности достигается путем энерге тической накачки: при подаче положительного смещения через пере ход течет ток инжекции, и большинство энергетических уровней в зоне проводимости заселяются электронами, а в валентной зоне большая часть уровней оказывается свободной.
Вновь излученные в результате переходов фотоны индуцируют новые излучательные переходы, и если энергия индуцированного
излучения превзойдет по величине энергию потерь, то установится режим генерации. Энергия индуцированного излучения, естественно, зависит от числа активных частиц, т.е. от концентрации электронов в зоне проводимости, которая, в свою очередь, определяется напря жением смещения или, иначе говоря, током инжекции. Таким обра зом, режим генерации устанавливается при определенном значении тока инжекции, называемого пороговым током.
Часто полупроводниковый квантовый генератор (ПКГ) работа ет в импульсном режиме. Энергетическая накачка для создания ин версной населенности осуществляется импульсами тока, поступаю щими к ПКГ от источника питания.
Если /?-л-переход на основном полупроводнике дополнен неод нородными (гетерогенными) границами с другим полупроводником или твердым раствором (например, GaAs-Ga^Ali^As), то область ре комбинации электронов и дырок резко сужается. Расходимость излу чения также значительно уменьшается, т.к. ограничение среды с меньшим показателем преломления приводит к эффекту волновод ного распространения. Поэтому гетеролазеры в отличие от обычных лазеров имеют более когерентное, мощное и направленное излучение.
В лазерных диодах на гетеропереходах инжектированные носи тели, собранные в узкой активной области, могут создать инверсию населенностей при низких плотностях тока. Гетеропереходы позво ляют получить лазерную генерацию в полупроводниках с непрямы ми переходами. Наибольшее распространение в инжекционных лазе рах на гетеропереходах получили соединения на основе арсенида галлия GaAs. Чтобы создать гетеропереходы на основе этого мате риала, необходим полупроводник с широкой запрещенной зоной, потенциальными барьерами и коэффициентами отражений, ограни чивающими как потоки носителей, так и потоки фотонов. Таким ус ловиям удовлетворяет AlxGai.xAs, поскольку постоянные решетки AlAs и GaAs очень хорошо согласуются. Поэтому смежная область гетероперехода имеет низкую плотность дефектов и не формирует поверхность с большой скоростью рекомбинации. Коэффициент от ражения также изменяется незначительно. При содержании алюми
ния х = 0,2 коэффициент отражения составляет 3,27 по сравнению с 3,43 для GaAs, что обеспечивает хорошие волноводные свойства этого материала. Галлий и алюминий имеют одинаковый тип решет ки, практически одинаковые периоды решетки и ковалентные радиу сы, равные 1,26 А. Замещение одного из этих элементов другим в гомополярных кристаллах происходит практически без изменения периода решетки. Вследствие различия температурного коэффициен та расширения арсенида галлия и арсенида алюминия полное совпа дение их решеток имеет место при высокой температуре. Следова тельно, выращивание гетероперехода при высоких температурах наиболее благоприятно и осуществляется практически без образова ния дефектов роста кристалла.
Полупроводниковые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.
Однако достигнутый уровень мощности излучения на сего дняшний день весьма мал - до нескольких десятков ватт (при крио генных температурах); при комнатной температуре мощность падает. Помимо высокого КПД к достоинствам таких лазеров относятся их малые размеры (примерно 1x1x1 мм).
Полупроводниковые лазеры генерируют, как правило, в ближ нем ИК-диапазоне или в красной части видимого (у распространен ного лазера на арсениде галлия к =0,84 нм). Эти лазеры обладают самым высоким КПД, который может превышать 70 %. Низкая энер гия электрического возбуждения, малые размеры, возможность управления частотой генерации - все это обусловило применение полупроводниковых лазеров в системах оптоволоконной связи, запи си информации (компакт-диски) и т.д.
Следует учесть, что для увеличения мощности полупроводнико вые лазеры могут быть собраны в блоки, состоящие из большого ко личества многоэлементных лазеров. Так, был создан блок из 1000 ла зеров с обшей мощностью в непрерывном режиме 30^90 Вт или пико вой мощностью 1,5-^-2 кВт при КПД около 20 % (Х = 0,8850 мкм).
Обычно разглеры лазеров лежат в пределах 200-400 мкм без уче та выводов и корпуса. Спектр излучения гетеролазеров формируется большим количеством как продольных, так и поперечных мод. Диа грамма направленности излучения в дальней зоне зависит от числа мод резонатора и дифракционных ограничений для прямоугольной активной области. Для инжекционных лазеров на основе двойных ге тероструктур угол расходимости луча достигает 40° вместо 10-45° для гомолазеров и лазеров на односторонних гетероструктурах.
В отрасли электронного машиностроения и приборостроения по лупроводниковые лазеры широко используют для сварки, пайки, гра вировки и т.п. процессов. КПД таких лазеров достигает 20 %. Они ми ниатюрны и обладают достаточно высокими энергетическими показа телями. В непрерывном режиме излучения такие лазеры могут достигать выходной мощности до 60 Вт, что сравнимо с некоторыми твердотельными лазерами, а в квазинепрерывном (частота повторения импульсов более 100 Гц)- пиковой мощности до 300 Вт. Эти лазеры излучают на различных длинах волн, что удобно для селективного воздействия на материалы. В дальнейшем планируется создание полу проводниковых лазеров с выходной мощностью более 1 кВт, что должно поставить их в один ряд с современными мощными лазерами.
Недостатком полупроводниковых лазеров является очень большая расходимость излучения - до нескольких градусов. Излуче ние лазера на арсениде галлия представляет собой луч эллиптическо го сечения с малой осью эллипса, параллельной /?-я-переходу. Из-за этого недостатка такие лазеры нельзя применять в интерферометрии и для юстировки. В то же время малый вес, небольшие габариты, вы сокий КПД и малая потребляемая мощность важны для таких облас тей применения, как связь, дальнометрия и др.
Этот тип лазера можно рассматривать как перспективный. Дальнейшее совершенствование полупроводникового лазера (увели чение мощности, снижение расходимости) будет способствовать расширению его использования в технологических целях.
Важнейшими узлами технологических лазеров, определяющи ми его энергетическую эффективность и компактность, являются не
только его устройства накачки, но также источники питания и дру гие, необходимые для работы установок системы и блоки.
Система питания обеспечивает работу всех узлов лазерной технологической установки, преобразуя энергию переменного элек трического тока в другие виды электроэнергии, требуемые для раз личных элементов установки.
Источник питания в газовых лазерах непосредственно возбуж дает газоразрядную трубку, а в твердотельных лазерах - лампы на качки активного элемента, и в зависимости от режима работы лазера работает в импульсном или непрерывном режиме. Источники пита ния используются для возбуждения газоразрядного промежутка газо вых и твердотельных излучателей.
При импульсном режиме работы лазер можно питать энергией или непосредственно от сети, или от промежуточного накопителя энергии.
Импульсное питание как газовых, так и твердотельных лазеров характеризуется использованием электромагнитных устройств (ем костного или индуктивного типа) для предварительного накопления энергии за достаточно большой промежуток времени от сравнитель но маломощных источников, а в последующем происходит реализа ция накопленной энергии в нагрузке, с помощью которой формиру ется импульс (тока или напряжения) заданной формы.
В технологических установках импульсного действия (преиму щественно твердотельных) в основном используются накопительные устройства, запасающие энергию в электрическом поле конденсатор ной батареи (емкостные накопители). Известны также накопительные устройства другого типа, в которых энергия запасается в магнитном поле дросселей-накопителей (индуктивные накопители).
Промежуточное накопление энергии приводит к существенно му усложнению схемы источника питания, однако позволяет совме стно с коммутирующими элементами реализовать все необходимые режимы работы с любыми значениями входных параметров, и необ ходимая для накачки лазеров энергия может накапливаться в виде энергии электрического (в конденсаторах) или магнитного поля
(в индуктивных элементах). Существующие системы классификации хмножества схем формирования выходных импульсов источников пи тания лазерных излучателей основаны на определении вида накопи теля энергии и режима его работы.
Зарядка индуктивного накопителя энергии осуществляется от устройства с низким выходным напряжением при среднем значении зарядного тока, равном половине амплитуда тока в момент оконча ния зарядки, а для емкостного накопителя выходное напряжение за рядного устройства должно быть не менее требуемого значения на пряжения накопителя, а среднее значение тока зарядки при заданных значениях напряжения и емкости накопителя зависит от цикла заряд ки и может быть во много раз меньше амплитуды импульса разряд ного тока. Выбор накопителя определяет требования к параметрам зарядного устройства. Накопители энергии могут работать в режи мах полной или частичной разрядки, характер которой определяется типом разрядного коммутатора.
Вся энергия, собранная в накопителе, передается в нагрузку в режиме полной разрядки при замыкании коммутатора для емкост ного накопителя и размыкания индуктивного, причем возврат ком мутаторов в исходное положение происходит не ранее окончания процесса разрядки накопителя.
При реализации импульсного режима работы излучателя ис пользуется импульсный разряд высоковольтного источника, причем ток в лазерном веществе протекает только в течение коротких интер валов времени. Инверсия населенности определяется свойствами не стационарной плазмы, а максимальная частота повторения импуль сов ограничивается только инерционностью процессов в плазме га зового разряда и достигает килогерц.
Система управления обеспечивает необходимую точность и производительность процесса обработки. С ее помощью осуществ ляется управление режимами излучения, перемещениями различных элементов лазерной технологической установки (ЛТУ) и прекраще ние работы установки в случае возникновения аварийной ситуации, например разрушения элементов оптического тракта. Это - одна из