no устройству

газовые

твердотельные

жидкостные

ионные

электроразрядные

газодинамические

химические

полупроводниковые

фотодиссоци-онные

плазмодинами ческие

на свободных электронах

по Активной среде

Гвердые тела

диэлектрические кристаллы и стекла

полупроводники

жидкости

газы и плазма -

атомарные и молекулярные смеси

высокой онизован-иая холодная плазма

разреженная горячая плазма

ЛАЗЕ, РЫ

по способу накачки;

оптическая

электричесоя -

с самостоятельным разрядом

с несамостоятель-I ным разрядом

использование продуктов ядерных реакций

тепловая

химическая

рекомбинационная

Ряс. и Возможные

по времени действия

непрерывные

импульсные -

импульсно-периодические

по уровню энергии

высокоэнергетические

среднеэнергети-ческие

низкоэнергетические

по взаимодействию с окружающей средой

с замкнутым циклом

С открытым циклом

по спектральному диапазону

видимый

инфракрасный

ультрафиолетовый

рентгеновский

гамма-излучение

по использованию

научные исследования

связь

технологические

раскрой, резка

сварка

по типу носителя

упрочнение материала

станционарный

мобильный

по движению

среды

геодезия, топография

инициирование химических реакций

с неподвижной средой

. с движущейся средой (проточный)

разделение изотопов

медицина

диагностика

лечение

военная техника

классификации лазеров

Следует отметить, что в большинстве случаев источник энергии не входит в состав лазера и энергия отбирается от внешних по отношению к лазеру устройств. Так для питания системы накачки низко- и среднеэнергетических лазеров используется электрическая энергия. И только в самых мощных лазерных установках, например газодинамических и непрерывных химических лазерах, почти вся необходимая для работы системы энергия запасена в самом рабочем теле и вырабатывается непосредственно в процессе функционирования. Поэтому лазер следует рассматривать, скорее, как преобразователь различных видов энергии в энергию монохроматического "оптического излучения. Способы передачи энергии от системы накачки к рабочему телу определяются са-

Источнак энергии

накачки

Система охлохдения]

Система подготовки рабочего

тела

Акгпипная среда /лазера

Система оыьоса рабочего тела

"еъочатор

Система 1 контроля

Система формирования и набедения

Система управления

Чазерное излучение Рис. 12. Структурная схема лазера

\ .мой средой, принципиальной схемой лазера, его назначением, условиями работы, носителем и т. д.

В самом первом лазере видимого диапазона, созданным Т. Мейманом в 1960 г., активной средой являлся рубиновый стержень, а накачка осуществлялась освещением этого стержня с помощью импульсного источника. Такой способ получил название оптической накачки и широко используется для создания активной среды в твердотельных лазерах с рабочим телом из диэлектрических кристаллов и стекол.

Оптическая накачка также пршменяется в жидкостных и фотодиссоционных лазерах, хотя в последних процесс накачки носит более сложный характер и связан с химическими превращениями. Для большинства газовых лазеров использование оптической накачки неэффективно из-за слабого поглощения широкополосного излучения в газах. Чаще для возбуждения газовых сред применяется электрический разряд. Это наиболее общий метод получения инверсии в газовых лазерах, так как электроны разряда легко возбуждают газ в широком диапазоне энергий, создавая инверсию населенностей уровней энергии ионов, нейтральных атомов, устойчивых молекул. Газоразрядный метод применим для возбуждения лазеров как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Электрический разряд в газе может быть самостоятельным и несамостоятельным. В последнем случае проводимость газа обеспечивается вводимыми извне носителями заряда или источниками ионизации, а передача энергии возбуждения рабочему телу (энерговклад) осуществляется независимо от условий пробоя газа при оптимальном значении напряжен-tiocTH электрического поля.

Высокой энергетической эффективностью характеризуется накачка рабочего тела энергией, высвобождающейся в результате химических реакций, при которых образуются возбужденные атомы, радикалы, молекулы. Лазеры с химической накачкой интересны тем, что прямое преобразование химической энергии в энергию лазерного излучения позво-1яет реализовывать исключительно высокие абсолютные значения излучаемой лазером энергии. Непрерывный химический лазер - один из наиболее перспективных типов мощных тазеров для использования в космосе. Иногда к химическим лазерам относят и лазеры, инверсия населенностей в которых достигается с помощью реакций фотодиссоциации.

В газодинамических лазерах удается осуществить тепло-чую накачку, т. е. непосредственно преобразовать тепловую энергию нагретого газа в монохроматическое лазерное излучение. Такие лазеры также могут иметь очень высокие энергетические характеристики.

Резонаторы лазеров, как правило, только для небольших маломощных лазеров состоят из двух зеркал. Для лазеров, характеризующихся большими объемами активной среды, эффективный съем энергии осуществляется более сложными

Многопроходными системами, состоящими из нескольких зеркал. Больщие плотности электромагнитной энергии, характерные для лазерного излучения, и необходимость обеспечения малой расходимости луча определяют высокие требования к качеству изготовления зеркал и точности их взаимного расположения.

В ряде случаев лазерный луч, выходящий из резонатора лазера, не может быть использован непосредственно для практических целей. Это связано с тем, что оптимальная, с точки зрения эффективности преобразования энергии, конструкция резонатора, не всегда обеспечивает получение луча с пространственными характеристиками, оптимальными для конкретных практических задач. Такая ситуация может возникать при передаче лазерной энергии на больщие расстояния, для подвижных объектов и т. п. Тогда для формирования требуемых пространственных характеристик луча может быть использована специальная система лазера.

Характерная особенность лазеров как энергетических систем - их невысокая энергетическая эффективность. Наряду с необходимостью больщих энергетических затрат для получения лазерного излучения это приводит к тому, что не выведенная в виде лазерного луча, выделившаяся в рабочем процессе энергия вызывает высокие тепловые и силовые нагрузки в элементах конструкции лазера. И если для небольших маломощных лазеров тепловой режим работы удается обеспечить только за счет естественного охлаждения при взаимодействии с окружающей средой, то с ростом мощности лазера возникает необходимость в специальных системах охлаждения.

Для непрерывных лазеров большой мощности невозможно отвести выделяющуюся тепловую энергию из активной среды, поэтому в них применяются системы обмена рабочего тела, действующие таким образом, что в процессе работы лазера отработавшая очередной цикл активная среда подается в систему подготовки, после чего может быть использована вновь.

Для газовых лазеров организуется непрерывная прокачка рабочего тела по замкнутому контуру, включающему холодильник. Наконец, в очень мощных системах и такой способ охлаждения может оказаться неприемлемым из-за габаритных или каких-либо других ограничений. Тогда используются

газодинамические схемы открытого цикла, в которых отработавшая активная среда удаляется из лазера. Аналогичные схемы применяются и в химических лазерах. Получение и подача в зону использования рабочего тела осуществляются с помощью систем подготовки рабочего тела (СПРТ).

Давление активной среды газовых лазеров часто намного меньше атмосферного, поэтому при организации удаления отработавшей смеси могут возникнуть естественные в таких случаях трудности. Эти проблемы решаются специальными системами вывода рабочего тела. Для проточных химических тазеров, кроме того, эти системы должны обеспечивать нейтрализацию или уничтожение вредных веществ, образующихся при функционировании лазеров.

Лазеры представляют собой сложные инженерно-технические системы, требующие организации соответствующих средств контроля и управления рабочими процессами.

Естественно, что в полном объеме структурная схема лазера, представленная на рис. 12, может быть реализована только для специальных высокоэнергетических систем. Структуры лазеров меньшей мощности в зависимости от назначения и конкретной конструкции могут содержать меньшее число составляющих элементов и систем. Однако во всех случаях в состав лазера входят активная среда, система накачки и резонатор.

Литература к разд. I

1. Голубев В. С, Лебедев В. Ф. Физические основы технологических лазеров. М.: Высшая школа, 1987. 191 с.

2. Карлов И. В. Лекции по квантовой электронике. М,: Наука, 1988. 336 с.

3. Ко.чарек Ф. Введение в физику лазеров. JVL: Мнр, 1987. 540 с.

4. Квантовая электроника: Маленькая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1969. 432 с. «

5. Мейт.генд А., Данн М. Введение в фнзнку лазеров. М.: Наука, 1978. 408 с.

6. Плохоцкий 3. Что такое лазер? Минск: Высшая школа, 1987. 207 с.

7. Русин С. П., Пелецкий В. 5. Тепловое излучение полостей. М.: Энер-гоатоыиздат, 1987. 152 с.

8. Страховский Г. М., Успенский А. В. Основы квантовой электроники. М.: Высшая школа, 1979. 303 с.

9. Шелухин Г. Г. Теория лазеров: Учеб. пособие. Ч. 1, И. Ленингр. мех. ин-т. 1990.

10. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. М/. Мир, 1987. 224 с.