Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Этот лазер — один из самых интересных по своим практи­ческим возможностям — принадлежит к подклассу молекуляр­ных газовых лазеров. Колебательно-вращательные энергетиче­ские уровни молекулы углекислого газа СОг образуют систему переходов, позволяющих усиливать и генерировать оптические колебания на множестве дискретных длин волн в интервале от 9,2 до 11,2 мкм, т. е. в средней инфракрасной области спек­тра. Длины волн, на которых возможна генерация, отстоят друг от друга на 0,02 мкм, а область максимального усиления приходится на волну 10,6 мкм.

Область спектра, в которой может генерировать СОг-лазер, расположена почти в центре широкого «окна прозрачности» ат­мосферы, где поглощение излучения атмосферными газами не­велико (см. § 7); это обстоятельство играет важную роль при создании лазерных измерительных приборов локационного типа. Однако, кроме удачного спектрального положения обла­сти генерации, СОг-лазер имеет целый ряд других достоинств.

Лазер на углекислом газе может работать как при непре­рывной, так и при импульсной накачке в широком диапазоне режимов, обеспечивая при этом большую выходную мощность и высокий к.’п. д. (от 5 до 20%). Спектральные и простран­ственные характеристики излучения СОг-лазера могут быть весьма совершенными.

Газовая среда СОг-лазера обычно состоит не только из уг­лекислого газа. Для улучшения генерационных свойств и экс­плуатационных характеристик в кювету вводятся также азот и гелий. Смесь СОг — N2 — Не характерна для большинства ла­зеров этого типа, хотя для краткости за ними сохраняется на­звание СОг-лазеров. Возбуждение активной среды может про­изводиться различными методами, но чаще всего используется электрический разряд.

Конструктивная схема электроразрядного С02-лазера, ра­ботающего в режиме непрерывной накачки тлеющим разрядом, в общем случае аналогична схеме He-Ne-лазера (см. рис. 29). При этом окна газовой кюветы и другие оптические элементы как самого лазера, так и сопряженных с ним устройств (мо­дуляторов, телескопических систем для коллимации излучения и т. п.) выполняются из специальных материалов, обладающих высокой прозрачностью в средней ИК области. К ним отно­сятся, например, германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), селе — нид цинка (ZnSe) и некоторые другие кристаллические мате­риалы.

Полупроводниковые лазеры выделены в особый класс из-за специфичности как свойств активной среды этих лазеров, так и методов накачки, создающей в полупроводниковых материалах инверсию населенности энергетических состояний.

Напомним, что полупроводники, которые по своей структуре являются кристаллическими веществами, отличаются от дру­гих кристаллических материалов прежде всего своими электри­ческими свойствами (откуда и появилось их название). Внеш­ние электроны атомов кристаллического вещества могут быть либо связаны со «своими» атомами (область энергетических состояний, при которых связь электронов с данным атомом со­храняется, называется валентной зоной), либо под влиянием внешнего источника энергии эта связь может быть разорвана — тогда электроны, приобретя более высокую энергию, стано­вятся свободными и образуют область энергетических состоя­ний, называемую зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости имеется некоторый интервал энергий, на­зываемый запрещенной зоной; в этой области электроны нахо­диться не могут.

Число свободных электронов, определяющее электропровод-

ность материала, пропорционально

ширина запрещенной зоны, k — постоянная Больцмана и Т — аб­солютная температура. Очевидно, что при Т=0 все электроны остаются в валентной зоне и электропроводность материала равна нулю. С ростом температуры зона проводимости начи­нает заселяться, причем тем быстрее, чем меньше ширина за­прещенной зоны. У диэлектриков, имеющих широкую запре­щенную зону, при нормальной (комнатной) температуре насе­ленность зоны проводимости остается ничтожной. У металлов, наоборот, запрещенная зона смыкается с валентной и электро­проводность весьма значительна. Полупроводниковые мате­риалы имеют умеренную ширину запрещенной зоны и при нор­мальной температуре имеют заметную проводимость, величина которой сильно зависит от температуры.

В «чистые» полупроводники можно вводить примеси, суще­ственно изменяющие свойства материала. Ряд примесей легко отдает свои электроны в зону проводимости — такие примеси называют донорами, а полученный материал, в котором легко создается избыток свободных электронов, называется полупро­водниками п-типа. Другие примеси, наоборот, отбирают сво­бодные электроны у основного полупроводника, образуя в нем так называемые «дырки» — не занятые электронами уровни. Такие примеси называют акцепторами, а полученный мате­риал— полупроводником p-типа. Если полупроводниковые ма­териалы этих двух типов граничат друг с другом, то вблизи поверхности раздела образуется зона со специфичными свой-

ствами — р—я-переход. Устройство, которое содержит полупро­водник с областями р — и я-типа, разделенными р — я-перехо — дом, и имеет контакты для подключения между р- и л-обла­стями электрического напряжения, называется полупроводни­ковым диодом и играет большую роль в современной электро­нике. При подаче напряжения порядка нескольких единиц вольт в «прямом» направлении (положительный полюс источ­ника подключен к p-области) полупроводниковый диод про­пускает электрический ток; при обратной полярности источ­ника напряжения в зоне р—л-перехода образуется запираю­щий слой и ток через диод протекать не может.

Исследования показали, что при пропускании тока в пря­мом направлении через диоды, выполненные из некоторых по­лупроводниковых материалов, в процессе рекомбинации дырок и электронов в зоне р—л-перехода образуются фотоны, поки­дающие затем диод в виде излучения с определенным спект­ром, зависящим от свойств полупроводника. Такие светоизлу­чающие диоды (светодиоды) в настоящее время широко рас­пространены и используются во многих областях техники — в том числе во многих светодальномерах — в качестве мало­мощных излучателей с относительно узким (по сравнению с тепловыми излучателями) спектром излучения. Диоды, излу­чающие в видимой области спектра, применяются, в частности, в различных индикаторных устройствах.

Свойства некоторых полупроводниковых материалов (на­пример, арсенида галлия GaAs) позволяют при достаточно вы­сокой плотности тока, протекающего через полупроводниковый диод, получить в зоне р—я-перехода значительное усиление оп­тических колебаний. Если поместить такое устройство в опти­ческий резонатор, например расположить по обеим сторонам р—я-перехода зеркала, то по достижении необходимой плотно­сти тока, текущего через поверхность перехода (эта плотность называется пороговой), светодиод превратится в лазер: излу­чение станет когерентным, спектр его резко сузится, расходи­мость выходящего пучка также уменьшится. Полупроводнико­вые лазеры такого типа принято называть инжекционными: энергию накачки в них создает протекающий электрический ток, а оптическое усиление возникает в результате инжекции электронов в зону р—я-перехода при протекании тока.

Усиление в инжекционных полупроводниковых лазерах столь значительно, что коэффициенты отражения зеркал резо­натора могут быть небольшими. Поэтому конструкцию лазера можно упростить, вообще отказавшись от внешних зеркал и используя в качестве зеркал полированные грани полупровод­никового кристалла. Конструктивная схема такого лазера, ко­торая в основе своей типична для инжекционных полупровод­никовых лазеров, изображена на рис. 30.

Современные инжекционные полупроводниковые лазеры мо­гут излучать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Длина волны излучения и необ­ходимая для возникновения ге­нерации пороговая плотность тока определяются. выбранным полупроводниковым материа­лом и, кроме того, сильно зави­сят от температуры: с пониже­нием температуры длина волны несколько уменьшается, а поро­говая плотность тока падает весьма значительно. Если, на­пример, лазер на арсениде гал­лия охладить с комнатной тем­пературы (~300 К) до темпе­ратуры жидкого азота (78 К), то длина волны уменьшится с 0,90 до 0,85 мкм, а пороговая плотность тока — с 104 до 5-Ю2 А/см2. Охлаждение является, следовательно, эффективным средством для улучшения пара­метров полупроводниковых лазеров, но в большинстве практи­ческих случаев требует значительного усложнения аппаратуры и поэтому применяется редко.

Мощность, генерируемая инжекционными полупроводнико­выми лазерами, невелика из-за малого объема участвующей в генерации активной среды (толщина зоны р—«-перехода имеет порядок 1 мкм, а его сечение в современных лазерах ле­жит в пределах от 10~3 до 10~5 см2). Типичные значения мощ­ности генерации в импульсном режиме — единицы ватт при длительности импульсов ~10“7 с, что соответствует излучае­мой энергии —10~® Дж. Частота повторения импульсов обычно составляет 103—104 Гц. Расходимость выходящего из такого лазера излучения гораздо больше, чем у лазеров других ти­пов— десятки градусов, что также объясняется малыми разме­рами р—«-перехода. В непрерывном режиме излучаемая мощ­ность обычно не превосходит 10 мВт (при комнатной темпера­туре). К. п. д. инжекционных лазеров довольно высок — не­сколько процентов при комнатной температуре и увеличива­ется до десятков процентов при глубоком охлаждении.

Применение различных полупроводниковых материалов по­зволяет в настоящее время создавать инжекционные лазеры, генерирующие на различных длинах волн — от 0,7 до 1,6 мкм. Эти приборы находят применение, в частности, в дальномерах, предназначенных для измерения небольших расстояний (до не­скольких километров). При этом может использоваться как им­пульсный, так и непрерывный режим генерации; в последнем случае излучение лазера модулируется по амплитуде с доста­точно высокой частотой. Возможность модуляции излучения путем изменения тока накачки (внутренняя модуляция) в ши­роком диапазоне частот — до 10е Гц — является важным досто­инством инжекционных полупроводниковых лазеров.

В принципе любой лазер представляет собой усилитель оп­тических колебаний (что отражается даже в расшифровке са­мого слова «лазер»), а в генератор он превращается добавле­нием цепи обратной связи (оптического резонатора). Однако на практике лазерами обычно называют именно генераторы оптического диапазона волн, а в качестве усилителей они при­меняются сравнительно редко. Одна из причин такого положе­ния — невысокий коэффициент усиления большинства лазер­ных активных сред, что заставляет делать усилительные эле­менты длинными и увеличивать габариты соответствующих приборов. Тем не менее в ряде случаев лазерные усилители успешно применяются для повышения выходной мощности и энергии излучающих систем.

В передатчиках лазерных дальномеров и локаторов, приме­няемых для измерения координат сильно удаленных объектов (например, ИСЗ), нередко используются твердотельные гене­раторы в сочетании с одним или несколькими усилителями. Излучение лазера, который служит первичным источником оп­тических колебаний (задающего генератора), вводится затем в активную среду усилителя, представляющего собой лазер та­кой же конструкции и с таким же активным материалом, но без резонатора. Схема такого двухкаскадного излучателя пока­зана на рис. 31. Иногда, если задающий генератор по каким — либо причинам не может обеспечить большую мощность, а ко­эффициент усиления активной среды невелик, излучатель может содержать и несколько последовательных каскадов уси­ления. . Максимально достижимая выходная энергия в такой системе ограничивается предельной энергией, запасаемой в ак­тивной среде за счет накачки, и составляет десятые доли джоуля на 1 см3 активного вещества (рубина, граната, неоди­мового стекла). В режиме коротких импульсов (например, когда задающий генератор работает с импульсным включением добротности) ограничивающим фактором является также им­пульсная мощность, приходящаяся на единицу площади торца

стержня последнего (выходного) усилителя: при мощности по­рядка 109 Вт/см2 возникает угроза разрушения поверхности ма­териала лазерным излучением.

Принципиально лазерные усилители можно использовать и в режиме усиления слабых сигналов, например на входе при­емников дальномерных или локационных систем. Ряд экспери­ментов такого рода был успешно проведен, хотя практическому распространению таких входных усилителей еще мешают неко­торые технические трудности.

Комментарии запрещены.