Типы и принцип работы лазеров

Лазеры классифицируются по активной среде и способу накачки, а также работают в непрерывном или импульсном режимах, создаваемых модуляцией добротности и синхронизацией мод.

Definition

Категоризация лазеров по активной среде и механизму возбуждения, а также режимы работы, непрерывный или импульсный, посредством которых контролируются их выходная мощность и временная структура.

Scope

Эта тема охватывает основные классы лазеров и принципы их работы. Она включает газовые лазеры, такие как гелий-неоновые и углекислотные, твердотельные лазеры, такие как рубиновые, неодимовые и титан-сапфировые, полупроводниковые диодные лазеры, лазеры на красителях и волоконные лазеры, а также их характерные длины волн и методы накачки. Также рассматриваются режимы работы: непрерывное излучение и генерация коротких и ультракоротких импульсов с помощью модуляции добротности и синхронизации мод, наряду с результирующими пиковыми мощностями и длительностями импульсов. Она связывает базовую физику усиления с разнообразными практическими устройствами.

Core questions

• Какие активные среды используются в лазерах и какие длины волн они генерируют?
• Как накачиваются различные лазеры для создания инверсии населенностей?
• Как модуляция добротности и синхронизация мод генерируют короткие импульсы?
• Какие компромиссы отличают непрерывный режим работы от импульсного?

Key concepts

• газовый лазер
• твердотельный лазер
• полупроводниковый диодный лазер
• волоконный лазер
• непрерывный режим работы
• модуляция добротности
• синхронизация мод
• ультракороткие импульсы

Key theories

Классификация по активной среде

Лазеры группируются как газовые, твердотельные, полупроводниковые, на красителях и волоконные лазеры; активная среда определяет доступные длины волн, эффективность и мощность, а также диктует подходящий способ накачки светом, электрическим током или разрядом.

Импульсный режим работы с модуляцией добротности и синхронизацией мод

Модуляция добротности сначала ухудшает, а затем внезапно восстанавливает добротность резонатора для высвобождения накопленной энергии в виде интенсивного наносекундного импульса, в то время как синхронизация мод фазирует множество продольных мод вместе для создания последовательности пикосекундных или фемтосекундных импульсов.

Clinical relevance

Различные типы лазеров подходят для различных медицинских применений: углекислотные лазеры для рассечения мягких тканей, неодимовые и эрбиевые лазеры для офтальмологических и дерматологических процедур, эксимерные лазеры для изменения формы роговицы и диодные лазеры для фотокоагуляции, при этом импульсный режим обеспечивает точное взаимодействие с тканями с минимальным сопутствующим повреждением.

History

Майман создал первый лазер, импульсное рубиновое устройство, в 1960 году; Джаван и коллеги вскоре после этого продемонстрировали непрерывный гелий-неоновый газовый лазер, а группа Холла произвела первый полупроводниковый диодный лазер в 1962 году. В последующие десятилетия появились углекислотные, на красителях, волоконные и титан-сапфировые лазеры, а также методы модуляции добротности и синхронизации мод.

Key figures

• Theodore H. Maiman
• Ali Javan
• Robert N. Hall

Seminal works

• svelto2010
• salehteich2019

Frequently asked questions

В чем разница между лазером непрерывного действия и импульсным лазером?

Лазер непрерывного действия излучает стабильный луч постоянной мощности, в то время как импульсный лазер концентрирует свою энергию в коротких вспышках, достигая гораздо более высокой пиковой мощности, чем его средняя мощность, для применений, требующих интенсивных, коротких воздействий.

Как производятся ультракороткие фемтосекундные импульсы?

Синхронизация мод заставляет многие продольные моды лазера колебаться с фиксированным фазовым соотношением, так что они интерферируют, образуя чрезвычайно короткий импульс, который циркулирует в резонаторе и излучается в виде регулярной последовательности.