Полупроводниковые лазеры являются квантовыми генераторами на основе полупроводниковой активной среды, в которой оптическое усиление создаётся вынужденным излучением при квантовом переходе между энергетическими уровнями при большой концентрации носителей заряда в свободной зоне.

Полупроводниковый лазер: принцип работы

В обычном состоянии большинство электронов расположено на уровне валентности. При подводе фотонами энергии, превышающей энергию зоны разрыва, электроны полупроводника приходят в состояние возбуждения и, преодолев запрещённую зону, переходят в свободную зону, концентрируясь у её нижнего края. Одновременно дырки, образовавшиеся на валентном уровне, поднимаются к её верхней границе. Электроны в свободной зоне рекомбинируют с дырками, излучая энергию, равную энергии зоны разрыва, в виде фотонов. Рекомбинация может быть усилена фотонами с достаточным уровнем энергии. Численное описание соответствует функции распределения Ферми.

Устройство

Устройство полупроводникового лазера представляет собой накачиваемый энергией электронов и дырок в зоне р-n-перехода - месте соприкосновения полупроводников с проводимостью p- и n-типа. Кроме того, существуют лазеры полупроводниковые с оптическим подводом энергии, в которых пучок формируется при поглощении фотонов света, а также квантовые каскадные лазеры, работа которых основана на переходах внутри зон.

Состав

Стандартные соединения, используемые как в полупроводниковых лазерах, так и в других оптоэлектронных устройствах, следующие:

• арсенид галлия;
• фосфид галлия;
• нитрид галлия;
• фосфид индия;
• арсенид индия-галлия;
• арсенид алюминия-галлия;
• арсенид-нитрид галлия-индия;
• фосфид галлия-индия.

Длина волны

Эти соединения - прямозонные полупроводники. Непрямозонные (кремний) света с достаточной силой и эффективностью не излучают. излучения зависит от степени приближения энергии фотона к энергии зоны разрыва конкретного соединения. В 3- и 4-компонентных соединениях полупроводников энергия зоны разрыва может непрерывно меняться в широком диапазоне. У AlGaAs = Al x Ga 1-х As, например, увеличение содержание алюминия (увеличение х) имеет следствием рост энергии зоны разрыва.

В то время как наиболее распространенные полупроводниковые лазеры работают в ближней ИК части спектра, некоторые излучают красный (фосфид галлий-индия), синий или фиолетовый (нитрид галлия) цвета. Среднее инфракрасное излучение создают лазеры полупроводниковые (селенид свинца) и квантовые каскадные лазеры.

Органические полупроводники

Кроме вышеупомянутых неорганических соединений, могут применяться и органические. Соответствующая технология всё ещё находится в стадии разработки, но её развитие обещает значительно удешевить производство квантовых генераторов. Пока лишь разработаны органические лазеры с оптическим подводом энергии, а высокоэффективная электрическая накачка ещё не достигнута.

Разновидности

Создано множество полупроводниковых лазеров, отличающихся параметрами и прикладным значением.

Малые лазерные диоды производят качественный пучок торцевого излучения, мощность которого колеблется от нескольких до пятисот милливатт. Кристалл лазерного диода представляет собой тонкую пластинку прямоугольной формы, которая служит волноводом, так как излучение ограничено небольшим пространством. Кристалл легируется с двух сторон для создания p-n-перехода большой площади. Полированные торцы создают оптический резонатор Фабри - Перо. Фотон, проходя через резонатор, вызовет рекомбинацию, излучение будет возрастать, и начнётся генерация. Применяются в лазерных указателях, CD- и DVD-проигрывателях, а также в оптоволоконной связи.

Маломощные монолитные лазеры и квантовые генераторы с внешним резонатором для формирования коротких импульсов могут производить синхронизацию мод.

Лазеры полупроводниковые с внешним резонатором состоят из лазера-диода, играющего роль усиливающей среды в составе большего лазер-резонатора. Способны изменять длины волн и имеют узкую полосу излучения.

Инжекционные полупроводниковые лазеры имеют область излучения в виде широкой полосы, могут генерировать пучок низкого качества мощностью несколько ватт. Состоят из тонкого активного слоя, расположенного между p- и n-слоем, образуя двойной гетеропереход. Механизм удержания света в боковом направлении отсутствует, что имеет следствием высокую эллиптичность пучка и неприемлемо высокие пороговые токи.

Мощные диодные линейки, состоящие из массива широкополосных диодов, способны производить луч посредственного качества мощностью в десятки ватт.

Мощные двумерные массивы диодов могут генерировать мощность в сотни и тысячи ватт.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL) испускают качественный пучок света мощностью в несколько милливатт перпендикулярно к пластине. На поверхности излучения наносят зеркала резонатора в виде слоёв в ¼ дины волны с различными На одном кристалле можно изготовить несколько сотен лазеров, что открывает возможность их массового производства.

Лазеры VECSEL c оптическим подводом энергии и внешним резонатором способны генерировать пучок хорошего качества мощностью в несколько ватт при синхронизации мод.

Работа полупроводникового лазера квантово-каскадного типа основана на переходах внутри зон (в отличие от междузонных). Эти устройства излучают в средней области инфракрасной части спектра, иногда в терагерцовом диапазоне. Их используют, например, в качестве газоанализаторов.

Полупроводниковые и основные аспекты

Мощные диодные лазеры с высокоэффективной электрической накачкой при умеренных напряжениях используются в качестве средств подвода энергии высокоэффективных

Полупроводниковые лазеры могут работать в большом диапазоне частот, который включает видимую, ближнюю инфракрасную и среднюю инфракрасную часть спектра. Созданы устройства, позволяющие также изменять частоту издучения.

Лазерные диоды могут быстро переключать и модулировать оптическую мощность, что находит применение в передатчиках оптоволоконных линий связи.

Такие характеристики сделали лазеры полупроводниковые технологически наиболее важным типом квантовых генераторов. Они применяются:

• в датчиках телеметрии, пирометрах, оптических высотомерах, дальномерах, прицелах, голографии;
• в оптоволоконных системах оптической передачи и хранения данных, системах когерентной связи;
• в лазерных принтерах, видеопроекторах, указателях, сканерах штрих-кода, сканерах изображений, проигрывателях компакт-дисков (DVD, CD, Blu-Ray);
• в охранных системах, квантовой криптографии, автоматике, индикаторах;
• в оптической метрологии и спектроскопии;
• в хирургии, стоматологии, косметологии, терапии;
• для очистки воды, обработки материалов, накачки твердотельных лазеров, контроля химических реакций, в промышленной сортировке, промышленном машиностроении, системах зажигания, системах ПВО.

Импульсный выход

Большинство полупроводниковых лазеров генерирует непрерывный пучок. Из-за короткой продолжительности пребывания электронов на уровне проводимости они не очень подходят для генерации импульсов с модуляцией добротности, но квазинепрерывный режим работы позволяет значительно повысить мощность квантового генератора. Кроме того, полупроводниковые лазеры могут быть использованы для формирования сверхкоротких импульсов с синхронизацией мод или переключением коэффициента усиления. Средняя мощность коротких импульсов, как правило, ограничивается несколькими милливаттами, за исключением VECSEL-лазеров с оптической накачкой, выход которых измеряется многоваттными пикосекундными импульсами частотой в десятки гигагерц.

Модуляция и стабилизация

Преимуществом кратковременного пребывания электрона в зоне проводимости является способность полупроводниковых лазеров к высокочастотному модулированию, которое у VCSEL-лазеров превышает 10 ГГц. Это нашло применение в оптической передаче данных, спектроскопии, стабилизации лазеров.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Министерство промышленности и энергетики Российской Федерации

Федеральное агентство по атомной энергии

Национальный Исследовательский Ядерный университет

Государственный университет

Институт международных отношений

Кафедра 6. Общей физики.

Реферат на тему:

«Полупроводниковые лазеры»

Подготовила Студентка 2 курса

Группы У4-02:

Вартанова Анна Артёмовна

Научный руководитель:

Самедов Виктор Витальевич

Москва

2011 год

1. Введение……………………………………………………………....3

2. Историческая справка………………………………………………..4

3. Люминесценция в полупроводниках………………………………..5

4. Инверсия населенностей в полупроводниках……………………....5

5. Инжекционные лазеры……………………………………………….6

6. Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой……………...8

7. Полупроводниковые лазерные материалы……………………….....9

8. Применение полупроводников……………………………………...11

9. Список литературы…………………………………………………..12

Введение.

Полупроводниковый лазер , полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. - малые размеры и компактность (объём кристалла ~10 -6 -10 -2 см 3). В П. л. удаётся получить показатель оптического усиления до 10 4 см -1 , хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения.
Другими практически важными особенностями П. л. являются:

· высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30-50%);

· малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10 9 Ггц);

· простота конструкции;

· возможность перестройки длины волны  излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Историческая справка.

Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение р-n-переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. П. л. на кристалле GaAs впервые были осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им предшествовало исследование излучательных свойств р-n-переходов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рыбкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию П. л., были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). П. л. с электронным возбуждением впервые осуществлен в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании П. л. с оптической накачкой. В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать гетероструктуры для П. л. Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М. Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.

Люминесценция в полупроводниках

При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света. Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла - состояние с инверсией населённостей.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны E полупроводника (рис. 1 , а); при этом длина волны   hc/E, где h - Планка постоянная, с - скорость света.

Рисунок 1 Энергетические схемы: а - накачки и излучательной рекомбинации в полупроводнике; б - оптического усиления при наличии инверсии населённостей состояний вблизи краев зон - дна Ес зоны проводимости и потолка Еn валентной зоны; DЕ - ширина запрещено

Инверсия населённостей в полупроводниках .

Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна E c заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка E  . Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1 / 2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1 / 2 . Если

и - квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией h (где  - частота излучения) выражается формулой: - > h.

Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1 , б), т. е. реализуется оптическое усиление.

В П. л. применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через р-n-переход, гетеропереход или контакт металл - полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили П. л. первых двух типов.

Инжекционные лазеры .

Лазер на р-n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р-n-переходу, образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20-40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см 2 , а при пониженной температуре ~ 10 2 A/см2, рис. 2 ). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Рисунок 2 Схема энергетических зон в р-n-переходе: а - при отсутствии тока; б - при сильном прямом токе; носители диффундируют в области, прилегающие к переходу, образуя с основными носителями избыточные электронно-дырочные пары.

Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 3 ). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р-n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р-р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в П. л. На р-n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у П. л. на р-n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

П. л. инжекционного типа (рис. 4 ) работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области ( = 850 нм) и около 10 мвт (Pb x Sn 1-x Te) в средней ИК области ( = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров - слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

Рисунок 3 а - лазер на гетеропереходе (двусторонняя гетероструктура), б - его энергетическая схема.

Рисунок 4 Образцы инжекционных лазеров.

Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой.

При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ 10 3 -10 6 эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W/3E. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность П. л. достигает 10 6 вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 5 ).

Рисунок 5 Схематическое изображение полупроводниковых лазеров с электронной накачкой: а - поперечной, б - продольной.

П. л. с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу (рис. 6 ). Техническое достоинство П. л. с электронной накачкой - возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~ 1 / 3); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3E, а испускается фотон с энергией ~E

Рисунок 6 Полупроводниковый лазер с электронной накачкой в отпаянной вакуумной трубке.

Полупроводниковые лазерные материалы.

В П. л. используются главным образом бинарные соединения типа А 3 В 5 , А 2 В 6 , А 4 В 6 и их смеси - твёрдые растворы (см. табл.). Все они - прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П. л., например др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина E зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить П. л. на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.

Полупроводниковые лазеры (Э - накачка электронным пучком; О - оптическая накачка; И - инжекционные лазеры; П - накачка пробоем в электрическом поле)

Полупроводник	Длина волны излучения, мкм	Максимальная рабочая температура, К	Способ накачки

Применение полупроводниковых лазеров.

1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи);

2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.);

3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти),

4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.);

5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах;

6) лазерное проекционное телевидение (рис. 7 ).

Рисунок 7 Схема проекционного лазерного телевизора: 1 - электронная пушка; 2 - фокусирующая и отклоняющая система; 3 - полупроводниковый кристалл - резонатор; 4 - объектив; 5 - экран.

Список литературы:

1. Басов Н. Г.. Крохин О. Н., Попов Ю. М., Получение состояний с отрицательной температурой в р-n-переходах вырожденных полупроводников, «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1961

2. Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, «Успехи физических наук», 1965

3. Пилкун М., Инжекционные лазеры, «Успехи физических наук», 1969

4. Елисеев П. Г., Инжекционные лазеры на гетеропереходах, «Квантовая электроника», 1972

5. Басов Н. Г., Никитин В. В., Семенов А. С., Динамика излучения Инжекционных полупроводниковых лазеров, «Успехи физических наук», 1969

Изобретение относится к области наведения управляемых ракет. Способ наведения по оптическому лучу ракеты, стартующей с подвижного носителя, включает формирование на носителе лазерного луча с информационным полем управления, наведение на цель оптического прицела, ось которого съюстирована с осью информационного поля, ориентирование оси пускового устройства в направлении оси луча, пуск ракеты со сложенными аэродинамическими рулями и ввод ракеты в информационное поле, открытие на ракете приемника излучения и формирование команд управления, зависящих от положения ракеты относительно оси информационного поля, раскрытие аэродинамических рулей и их отклонение. В момент схода ракеты запоминают угловое положение оси пускового устройства относительно связанной с носителем системы координат, а также угловое положение носителя относительно земной системы координат, раскрытие рулей осуществляют с временной задержкой относительно открытия приемника излучения, в момент открытия приемника излучения совмещают ось информационного поля луча с запомненным в момент схода ракеты положением пускового устройства, а в момент времени раскрытия рулей начинают совмещение оси информационного поля лазерного луча с линией визирования цели. Технический результат заключается в повышении точности и уменьшении времени вывода ракеты на ось луча. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Рисунки к патенту РФ 2498192

Предлагаемое изобретение относится к области разработки систем наведения с телеориентированием ракеты в лазерном луче и может быть использовано в противотанковых ракетных комплексах (ПТРК), установленных на сухопутных и воздушных носителях.

В настоящее время известен способ наведения управляемой ракеты, реализованный, например, в противотанковых комплексах "Кастет", "Бастион", "Штурм", "Кобра" (Р.Д. Ангельский, Отечественные противотанковые комплексы, Москва, ACT, Астрель, 2002 г., стр.74-75, 84, 100, 111-114, ), включающий ориентирование пускового устройства с ракетой в направлении информационного поля управления, создаваемого лучом лазера, перемещение ракеты в поле управления посредством выстреливания из пускового устройства, последующие открытие приемника излучения, раскрытие рулей, формирование команд управления, пропорциональных координатам ракеты в поле управления, и отклонение рулей под действием команд управления. Основной особенностью телеориентирования в информационном поле управления луча лазера является то, что полет ракеты происходит в два этапа. На первом этапе ракета встреливается в информационное поле луча, а после ее входа в поле управления луча открывается бортовой приемник излучения и начинается второй этап, на котором ракета летит и управляется в поле управления.

Под полем управления здесь и далее понимается область определения координат ракеты относительно линии прицеливания и это может быть, например, поле зрения пеленгатора ракеты в командной системе управления, реализованной в комплексах "Штурм", "Кобра" или же информационное поле луча (радиолуча или луча лазера), формируемого прибором наведения в лучевой системе управления ракетой, реализованной в комплексах "Кастет", "Бастион", "Вихрь".

Выполнение операций известного способа наведения ракет осуществляется следующим образом.

Оператор, обнаружив цель, совмещает линию прицеливания (оптическую ось прицела) и совпадающую с ней нулевую ось аппаратуры определения координат (оптическую ось источника лазерного излучения) с точкой прицеливания и производит пуск ракеты. Перемещение ракеты в поле управления осуществляется посредством выстреливания из пускового устройства, ориентированного в направлении поля управления под заданными углами в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Пусковым устройством может быть транспортно-пусковой контейнер, установленный на наземном или воздушном носителе или орудие танка.

После входа ракеты в поле управления начинает работать приемник излучения, установленный на ракете, и аппаратура определения координат воспринимает частотно-модулированное излучение лазера и, расшифровывая его, определяет координаты ракеты относительно оси информационного поля лазерного излучателя (т.е. относительно линии визирования цели).

Начало функционирования приемника излучения ракеты совпадает по времени с моментом раскрытия защитной крышки приемника излучения (роль защитной крышки может играть поддон ракеты (В.И. Бабичев, В.В. Ветров, А.В. Игнатов, А.Р. Орлов, Основы устройства и функционирования артиллерийских управляемых снарядов, изд. ТулГУ, Тула, 2003 г., с.71, ), сброс которого происходит после выхода ракеты из канала ствола орудия). После сброса поддона начинает функционировать приемник излучения и замыкаются контактные группы, одна из которых подает напряжение на электровоспламенитель механизма раскрытия рулей (механизм раскрытия рулей имеет пиротехнические приводы одноразового действия, работа которых основана на срабатывании электровоспламенителей с последующим преобразованием энергии расширяющихся газов в механическое перемещение (, с.61), и происходит раскрытие рулей.

Управляющие команды, пропорциональные координатам ракеты относительно оси луча, поступают на вход блока рулевых приводов. Рули блока рулевых приводов, отклоняясь относительно своего среднего положения, создают действующий на ракету управляющий момент, что приводит к возникновению сил, которые удерживают ракету около центра поля управления в течение всего времени полета ракеты до цели.

Описанный способ управления реализован, например, в управляемой в прямом луче лазера вращающейся по крену ракете "Рефлекс", которая выстреливается метательным устройством из канала ствола орудия, имеющей замыкатель, электрически связанный с механизмом раскрытия рулей рулевого привода (с.72-74, ).

Недостатком известного способа наведения являются значительное время подготовки к пуску, связанное с необходимостью разворота пускового устройства с помощью поворотного и подъемного механизмов наведения для установки строго определенных углов между направлением выстрела и линией визирования цели (ЛВЦ).

В качестве прототипа заявляемому способу выбран наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению способ наведения, реализованный в ПТРК MAPATS (Высокоточное оружие зарубежных стран, том 1, противотанковые ракетные комплексы, обзорно-аналитический справочник, ГУП КБП, Тула, 2008 г., с.316-321), заключающийся в формировании лазерного луча с информационным полем управления, наведении оптического прицела и съюстированного с прицелом луча на цель, встреливании ракеты в луч, открытии приемника излучения, определении координат ракеты относительно оси информационного поля луча, формировании команд управления, пропорциональных координатам ракеты от оси информационного поля, раскрытии рулей и преобразовании команд управления в отклонения рулей.

Данная система наведения, устанавливаемая на подвижных носителях, например, на вертолетах, обладает следующими недостатками: значительным временем проведения операций, связанных с установками требуемых углов между направляющими пускового устройства и ЛВЦ; требованием мастерства летчика для установки требуемых углов посредством пилотирования вертолета; сравнительно низкой точностью установки требуемых углов; необходимостью перевода носителя в режим пикирования на цель при подготовке к стрельбе и осуществления запуска ракеты; значительным размером луча, который обусловлен значительным рассеиванием ракет при их запуске с низкими начальными скоростями.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение диапазона условий применения ПТРК при стрельбе с воздушного носителя при повышенных ошибках прицеливания летчика без организации точного прицеливания пускового устройства относительно ЛВЦ маневрированием воздушным носителем, а также снижение требований к рассеиванию ракет на начальном участке наведения и уменьшение задымленности ЛВЦ.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе наведения по оптическому лучу ракеты, стартующей с подвижного носителя, включающем формирование на носителе лазерного луча с информационным полем управления, наведение на цель оптического прицела, ось которого съюстирована с осью информационного поля лазерного луча, ориентирование оси пускового устройства в направлении оси информационного поля лазерного луча, пуск ракеты со сложенными аэродинамическими рулями и ввод ракеты в информационное поле лазерного луча, открытие на ракете приемника излучения и формирование сигналов, пропорциональных координатам ракеты относительно оси информационного поля лазерного луча, и преобразование их в команды управления, раскрытие аэродинамических рулей и преобразование команд управления в отклонения рулей, дополнительно в момент схода ракеты на носителе измеряют и запоминают угловое положение оси пускового устройства относительно связанной с носителем системы координат, а также угловое положение носителя относительно земной системы координат, раскрытие аэродинамических рулей осуществляют с временной задержкой относительно открытия приемника излучения, в момент открытия приемника излучения совмещают ось информационного поля лазерного луча с запомненным в момент схода ракеты положением оси пускового устройства, а в момент времени t нв, соответствующий моменту раскрытия рулей, начинают совмещение оси информационного поля лазерного луча с линией визирования цели по закону:

Ву,z =0,5· ° ву,z ·, при t нв

Ву,z =0, при t>t кву,z ,

где ву,z - текущие углы между осью информационного поля и линией визирования цели,

° ву,z - углы отворота оси информационного поля от линии визирования цели в момент открытия на ракете приемника излучения,

Вmу,z - максимальные угловые скорости вращения оси информационного поля в процессе совмещения;

При t=t НВ,

При t=t НВ,

Угловые скорости вращения линии визирования цели по углам места и азимута соответственно,

t кву,z - время окончания совмещения,

t квy,z =t нв + t ву,z ,

где t ву,z = / ву,z .

Предлагаемый способ наведения ракеты реализован в противотанковом комплексе "Вихрь", размещенном на вертолете. При работе противотанковым управляемым вооружением "Вихрь" с вертолета пилот при визуальном обнаружении цели с помощью нашлемной системы целеуказания ориентирует линию визирования комплекса "Шквал-В" в направлении цели и, переключив поле зрения с широкого на узкое (имеющее большее увеличение) производит распознавание цели и после определения принадлежности цели противнику принимает решение атаковать и выбирает оружие, (, с.171-179, Мазепов А. и др., "Ка-50", М., Любимая книга, 1997 г., с.84-91). Если выбрана в качестве оружия ракета, пилот кнюппелем на ручке управления вертолетом корректирует положение и размер прицельной марки на телевизионном индикаторе так, чтобы она лежала на цели, а цель занимала примерно Уд ее площади, а затем переводит аппаратуру в режим автосопровождения. При этом происходит измерение лазерным дальномером дальности до цели. Телеавтомат (ТА) запоминает образ цели и обеспечивает дальнейшее сопровождение. Система обеспечивает автоматическое сопровождение цели даже после кратковременного исчезновения ее изображения - например, в тех случаях, когда между вертолетом и целью, например, танком оказывается другой объект. В том случае, если все-таки имел место сбой автоматического слежения, летчик осуществляет повторный захват цели на автосопровождение. Пусковое устройство отрабатывает угол места цели. При достижении разрешенной дальности на индикаторе лобового стекла (ИЛС) и телевизионном индикаторе появляются сигналы, разрешающие открытие огня.

При стрельбе ракетой необходимо обеспечить встреливание ракеты в поле управления лазерного луча. Пилотированием вертолета летчик должен совместить на ИЛС символы линии визирования цели и зоны пуска. Если этого не происходит, то срабатывает блокировка и сигнал разрешения пуска ракеты не индицируется. Если ТА по какой-то причине потерял цель, то имеется возможность кнюппелем скорректировать положение прицельной марки на цели и вновь перейти на автосопровождение.

До внедрения предлагаемого изобретения ввод ракеты в информационное поле обеспечивался маневром (прицеливанием) вертолета, в процессе которого летчик, имея на индикаторе лобового стекла информацию об угловом положении линии визирования цели (оси ТА и съюстированной с ней оси информационного поля (ИП)) в виде "подвижной метки" и угловом положении пускового контейнера в виде "прицельной марки" с нанесенным вокруг нее кольцом зоны встреливания радиусом, например, 1°, воздействуя на органы управления вертолета, совмещал прицельную марку с подвижной меткой в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При попадании подвижной метки в кольцо зоны встреливания летчик нажимал кнопку пуска ракеты и до момента ее схода обеспечивал удержание подвижной метки в кольце зоны встреливания (~0.8 1.0 с после нажатия кнопки).

Предлагаемый способ наведения позволяет осуществлять пуск ракеты без точного прицеливания маневрированием вертолета при реализации программной разъюстировки оси ИП луча управления относительно оси ТА в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В момент схода ракеты фиксируется угловое положение вертолета н0 , н0 и положение пускового устройства относительно строительной горизонтали фюзеляжа (СГФ) вертолета. В момент времени, соответствующий моменту открытия крышки приемника излучения, в оптическую схему прибора наведения вводятся два оптических клина, отводящих ось ИП к зафиксированному в момент пуска положению оси пускового устройства, обеспечивая тем самым "захват" ракеты на траектории.

Потребные углы отворота оси ИП относительно оси ТА для обеспечения ввода ракеты в ИП ° ву, ° вz в вертикальной и горизонтальной плоскостях должны вычисляться по зависимостям:

° ву = н0 - н + пу - у - ,

° вz = н0 - н + пу - z - ,

где н0 , н0 - углы тангажа и рысканья вертолета в момент схода ракеты;

Н, н - текущие углы тангажа и рысканья вертолета;

Пу, пу - углы разворота оси пускового устройства относительно СГФ вертолета в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно;

У, z - текущие углы разворота оси ТА относительно СГФ вертолета в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно;

Требуемые углы разворота оси пускового устройства относительно оси ИП в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно в момент схода ракеты, рассчитываемые в вычислительном блоке носителя.

В момент времени tнв, соответствующий моменту открытия рулей, начинается совмещение оси ИП с линией визирования цели. В процессе совмещения угловые рассогласования ву,z должны изменяться по закону:

Ву,z=0,5· °ву,z·, при tнв

Ву,z=0, при t>tкву,z,

где

Вmу,z - максимальные угловые скорости вращения оси ИП в процессе совмещения;

При t=t НВ,

При t=t НВ,

Угловые скорости вращения линии визирования цели по углам места и азимута соответственно, рассчитываемые в вычислительном блоке носителя по алгоритмам математического обеспечения.

При ву,z> принимается ву,z= , а максимальная угловая скорость совмещения оси ИП определяется по зависимости:

tкву,z - время окончания совмещения:

tкву,z=tнв+ tву,z,

где tву,z= / ву,z

Предлагаемое изобретение иллюстрируется рисунками.

Фиг.1, 2 иллюстрируют взаимное угловое положение вертолета, осей телеавтомата, прибора наведения, пускового устройства, линии горизонта и цели (для вертикальной плоскости).

На фиг.1 показаны два положения ракеты на траектории: первое - положение ракеты на момент времени t=0.3 с, предшествующий моменту начала совмещения осей ИП и ТА, и второе - положение ракеты на момент окончания совмещения осей ИП и ТА. На фиг.2 отмечены:

Ц - угол между линией цели и линией горизонта,

Y - между осью ТА (линией цели) и СГФ носителя,

Y ПМ - угол между осью прицельной марки и СГФ вертолета,

ВВ - расчетный угол отклонения ПУ относительно линии цели,

Н - угол между линией горизонта и СГФ вертолета,

Н0 - угол между линией горизонта и СГФ вертолета в момент пуска ракеты,

ПУ - угол между СГФ вертолета и осью пускового устройства,

° ву - требуемый угол отклонения оси ИП относительно оси ТА для обеспечения встреливания ракеты в ИП,

Ошибка наведения оси ИП луча,

Требуемое угловое положение ПУ относительно оси ИП.

На фиг.3 приведена блок-схема системы наведения, реализующей предлагаемый способ наведения. На фиг.3 введены следующие обозначения: 1 - бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ), в состав которой входят следующие блоки: 2 - блок алгоритма встреливания; 11, 16 - блоки вычитания (БВ1, БВ2); 17 - сумматор (С), 22 - формирователь команд (ФК) управления приводом пускового устройства. Блок алгоритма встреливания может быть выполнен из набора вычитающих блоков, сумматоров, блоков произведения и блоков хранения констант. Сумматоры и блоки вычитания выполнены по схеме рис.11.1 (У. Титце, К. Шенк, Полупроводниковая схемотехника, М., Мир, 1982 г., с.137, ). Блоки произведения могут быть выполнены по схеме четырехквадрантного умножения (, с.162, рис.11.41). Блоки хранения констант могут быть выполнены в виде постоянного запоминающего устройства (, с.125-127). Блок 24 - привод пускового устройства, блок 25 - датчик углового положения оси пускового устройства (ДУП3).

Система наведения включает в себя блок телеавтомата 3, который представляет собой телевизионную аппаратуру (ТАп.) 4, сопряженную с лазерным дальномером-целеуказателем и прибором наведения ракет по лазерному лучу 5 (, с.84-85). Телевизионная аппаратура комплекса имеет широкое и узкое поля зрения, углы отклонения линии визирования по азимуту ±35°, по углу места от +15° до -80°. Угловые отклонения оси телеавтомата посредством датчика углового положения 8 преобразуются в электрические сигналы. Датчики углового положения оси телеавтомата и оси пускового устройства могут быть выполнены, например, на основе фотоэлектрического преобразователя угла в код (Основы теории и проектирования вычислительных приборов и машин управления, под ред. Л.Н. Преснухина, М., Высшая школа, 1970 г., с.299, 325).

Телеавтомат может выполнять функции обзорно-поисковой системы. Линия визирования для поиска цели отклоняется автоматически или вручную от кнюппеля. После распознавания цели и ее захвата сопровождение цели осуществляется автоматически. Телеавтомат может быть выполнен на основе телевизионного визира, представленного в книге В.П.Демидова, Н.Ш.Кутыева, Управление зенитными ракетами, М., Военное издательство, 1989 г., с.184-186.

На индикаторе лобового стекла 12 отображается информация о положении цели и прицельной марки пускового устройства. На основе этой информации летчик (летчик, как элемент системы управления, обозначен на схеме блоком 18) должен обеспечить встреливание ракеты в поле зрения обзорно-поисковой системы. Пилотированием вертолета 23 он должен совместить на ИЛС символы линии визирования цели и зоны пуска. После пуска ПТУР летчик должен пилотировать вертолет в допустимых пределах углов отклонения линии визирования цели.

С осью телеавтомата съюстирована ось ИП лазерного луча, формируемого прибором наведения 5, включающего два импульсных источника (ИИ) 6, 10, формирователь импульсного кода (ФИК) 7, блок сканирования (БС) 13, датчик углового положения (ДУП2) оси луча 14, первый синхронизатор (С1) 15, блок литерности (БЛ) 21, оптическая панкратическая система (ОПС) 19, съюстированная с оптическим прицелом 20. Ракета представлена блоком 26, в состав которого входят приемник излучения (ПИ) 27, блок стробирования сигнала (БСС) 28, блок синхронизирующих импульсов (БСИ) 29, второй синхронизатор (С2) 30 и анализатор импульсного кода (АИК) 31. Устройство и работа прибора наведения раскрыты в описании изобретения, представленном в патенте РФ 2382315 "Система наведения управляемого снаряда".

На фиг.4.1 и 4.2 приведены траектории ракеты "Вихрь" в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно, полученные в результате математического моделирования процесса наведения при ошибках прицеливания летчика в вертикальной плоскости -2.5°, в горизонтальной плоскости ±1.0° в следующих условиях: температура заряда, воздуха Тз,в=20°С; боковой ветер Wz=±10 м/с. Начальные возмущения при сходе ракеты: , .

Траектория 1 получена для условий: 0 =1.5°, 0 =-0.7°, 0 =-0.7°-1.0°, , , Wz=-10 м/с.

На фиг.5.1 и 5.2 приведены траектории ракеты "Вихрь" соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, полученные при ошибках прицеливания летчика в вертикальной плоскости +2.5°, в горизонтальной плоскости ±1.0° для трех траекторий в тех же условиях.

При моделировании рассматривался наиболее тяжелый с точки зрения обеспечения ввода ракеты в ИП случай стрельбы в режиме "висения" вертолета, характеризующийся наибольшим рассеиванием ракет на неуправляемом участке полета.

Анализ результатов математического моделирования показывает, что при реализации предлагаемого способа наведения ракеты "Вихрь", например, с вертолета Ка-52 и ошибках прицеливания летчика до ±2.5°, обеспечивается ввод ракеты в информационное поле луча управления и последующее наведение ее на цель. Предложенный способ позволяет снизить требования к рассеиванию ракет на начальном участке наведения, а также снизить требования к точности прицеливания авиационными носителями, т.е. реализуется возможность производить прицеливание и осуществлять ввод ракеты в информационное поле луча управления без маневра носителем.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ наведения по оптическому лучу ракеты, стартующей с подвижного носителя, включающий формирование на носителе лазерного луча с информационным полем управления, наведение на цель оптического прицела, ось которого съюстирована с осью информационного поля лазерного луча, ориентирование оси пускового устройства в направлении оси информационного поля лазерного луча, пуск ракеты со сложенными аэродинамическими рулями и ввод ракеты в информационное поле лазерного луча, открытие на ракете приемника излучения и формирование сигналов, пропорциональных координатам ракеты относительно оси информационного поля лазерного луча, и преобразование их в команды управления, раскрытие аэродинамических рулей, преобразование команд управления в отклонения рулей, отличающийся тем, что в момент схода ракеты на носителе измеряют и запоминают угловое положение оси пускового устройства относительно связанной с носителем системы координат, а также угловое положение носителя относительно земной системы координат, раскрытие рулей осуществляют с временной задержкой относительно открытия приемника излучения, в момент открытия приемника излучения совмещают ось информационного поля лазерного луча с запомненным в момент схода ракеты положением оси пускового устройства, а в момент времени t HB , соответствующий моменту раскрытия рулей, начинают совмещение оси информационного поля лазерного луча с линией визирования цели.

Ву,z - текущие углы между осью информационного поля и линией визирования цели,

Конструктивные особенности лазеров

Лазеры различаются по следующим параметрам:

рабочая среда, которой могут служить твердые диэлектрики, полупроводники, газы или жидкости;

способ создания в среде инверсии населенностей или способ накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным разрядом, интенсивная инжекция заряда, мощное электронное облучение, химическая накачка);

конструкция резонатора;

режим действия (непрерывный или импульсный).

Указанные различия напрямую определяют функциональные и технические возможности конкретных лазеров, влияют на их назначение и сферу применения.

Вещества и материалы, которые используются в лазерах в качестве активной среды, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

иметь четко выраженные энергетические уровни, позволяющие эффективно воспринимать энергию внешней накачки и с минимальными потерями преобразовывать ее в электромагнитное излучение;

обладать высокой оптической однородностью, чтобы существенно уменьшить частичное поглощение (потери) света в лазерной (активной) среде;

быть стойкими к перепадам температуры, влажности, к различным физико­химическим воздействиям;

иметь высокую теплопроводность и малый коэффициент термического расширения;

сохранять состав и свойства в процессе функционирования лазера.

Твердые лазерные материалы должны к тому же обладать высокой прочностью и не разрушаться при механической обработке (резке, шлифовке, полировке), выполняемой в процессе изготовления активных элементов (лазерных стержней).

Газовые лазеры

В газовых лазерах трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал, одно из которых является полупрозрачным. Оптическая волна, распространяясь через активный газ, усиливается и создает лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично выходит за пределы резонатора, создавая выходное лазерное излучение. Другая часть оптической энергии отражается от зеркала и порождает новую лавину фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению дальнейшего распространения.

Газовые лазеры работают в весьма широком частотном диапазоне (от ультрафиолетового до далекого инфракрасного), функционирующем в импульсном и в непрерывном режимах.

Газы по сравнению с твердыми телами и жидкостями обладают значительно меньшей плотностью и более высокой однородностью, поэтому оптический луч в газах практически не искажается, не рассеивается и не теряет энергию. В результате направленность лазерного излучения в газовых лазерах резко возрастает до предела, определяемого дифракцией света. Расходимость светового луча газовых лазеров в области видимого света составляет 10 -5 –10 -4 рад, а в инфракрасной области 10 -4 –10 -3 рад.

В газовых лазерах стабильность частоты излучения зависит главным образом от неподвижности зеркал и других компонентов оптического резонатора, что гарантирует исключительно высокую стабильность частоты. Весьма важно, что газовые лазеры способны без принципиальных затруднений формировать оптические колебания одной определенной частоты (монохроматическое излучение).

В газовых лазерах создание активной среды с четко выраженной инверсией населенностей обеспечивается разнообразными способами и средствами. Оптическая накачка с применением газоразрядных ламп, эффективная для твердотельных лазеров, в газовых лазерах не используется, поскольку газы поглощают энергию в узких спектральных полосах (линиях), а лампы излучают свет в широких частотных диапазонах. Поэтому КПД оптической накачки с помощью ламп в газовых лазерах очень мал.

Как правило, инверсия населенностей в газовых лазерах создается путем электрического разряда. Свободные электроны, возникающие в процессе разряда, при столкновениях с микрочастицами (атомами, ионами, молекулами) газа, посредством электронного удара возбуждают их и переводят на более высокие уровни энергии. Если время жизни возбужденных микрочастиц на верхних энергетических уровнях относительно велико, то в газовой среде создается четко выраженная и устойчивая инверсия населенностей. Метод электронного удара эффективно используется для накачки газовых лазеров, действующих в непрерывном и/или импульсном режимах.

Успешно применяется и способ резонансной передачи возбуждения, при котором возбуждение микрочастиц одного вида происходит при неупругих соударениях с микрочастицами другого вида. При этом создание активной среды в газе происходит в две стадии: сначала электроны возбуждают микрочастицы вспомогательного газа, которые затем в процессе неупругих соударений с микрочастицами рабочего газа передают им избыточную энергию. Начальное накопление энергии вспомогательных микрочастиц происходит должным образом, если время жизни этих микрочастиц на высоких энергетических уровнях относительно велико.

Гелий­неоновый лазер

Оптический резонатор гелий­неонового лазера (рис. 1) содержит два вогнутых или плоских зеркала 1 и 2 ; в объеме резонатора размещена тонкая трубка 3 с внутренним диаметром около 1 мм и длиной примерно 10 см. В трубку введены газы гелия и неона при соотношении парциальных давлений Не:Ne = 5:1 и общем давлении вакуума 0,4 кПа. Тлеющий разряд в трубке обеспечивается электрическим напряжением 1­3 кВ от внешнего источника 4 , приложенным между катодом 5 и анодом 6 трубки; ток разряда (около 5 мА) ограничивается резистором 7 (50 кОм). На концах газоразрядной трубки под углом Брюстера Бр к оси трубки в качестве окон размещены (приклеены или приварены) оптические полированные стекла 8 и 9 . Угол Брюстера определяется отношением Бр = аrctg n cm , где n cm - коэффициент преломления стекла. При таком угле отраженный свет полностью поляризован.

СО 2 ­лазер

СО 2 ­лазер обеспечивает высокую мощность излучения в непрерывном режиме. При возбуждении молекул углекислого газа электронным разрядом такой лазер излучает мощность до 10 кВт. Данные лазеры обладают большим КПД, составляющим 15­20%, а иногда достигающим и 40%. СО 2 ­лазеры эффективно действуют и в импульсном режиме.

Одним из основных условий работы СО 2 ­лазера является недопустимость нагрева лазерной смеси выше температуры 600­700 К, а следовательно, необходимо ее эффективное охлаждение. Отвод тепла от рабочей смеси лазера может осуществляться либо за счет диффузии тепла к охлаждаемой стенке разрядной трубки, либо путем замены нагретой порции газа на новую. Поэтому по способу охлаждения рабочей смеси газоразрядные СО 2 ­лазеры принято делить на лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением. Стабилизация разряда в диффузионных лазерах осуществляется за счет процессов амбиполярной диффузии заряженных частиц. В конвективных лазерах с продольной прокачкой стабилизация разряда, как правило, тоже осуществляется диффузией заряженных частиц к стенкам трубки, но поток выделяющегося в разряде тепла уносится газом. В лазерах с поперечной прокачкой стабилизация разряда, как и охлаждение рабочей смеси, обеспечивается за счет выноса газа из зоны возбуждения; при этом за время прохождения газом зоны возбуждения неустойчивость разряда развиться не успевает.

Принцип диффузионного охлаждения рабочей смеси газового лазера заключается в отводе тепла, выделяющегося в процессе лазерной генерации, вследствие процесса молекулярной теплопроводности газа к охлаждаемым стенкам трубки или камеры.

СО 2 ­лазер с диффузионным охлаждением рабочей смеси (рис. 2) состоит из охлаждаемой водой разрядной трубки 3 , внутри которой с помощью системы электродов 1 создается газоразрядная плазма 4 . По торцам разрядной трубки размещаются зеркала резонатора: глухое вогнутое 2 и полупрозрачное выходное 5 из GaAs, расположенное под углом Брюстера. Стабильность усилительных свойств среды в течение длительного времени поддерживается слабой прокачкой лазерной смеси или размещением внутри лазера регенерирующего элемента. В диффузионных лазерах, как правило, используется смесь СО 2:N 2:He в соотношении, близком к 1:1:3 или 1:1:6.

Основным фактором, ограничивающим объемный энерговклад в диффузионных СО 2 ­лазерах, является охлаждение рабочей смеси. Предельную мощность излучения лазера можно оценить с помощью соотношения:

где L 0 - активная длина разрядной трубки; X - коэффициент теплопроводности рабочей смеси; T max - максимально допустимый нагрев рабочей смеси; T ст - температура стенки трубки; η эо - электрооптический КПД.

Как видно из приведенного соотношения, удельная мощность излучения лазера, снимаемая с единицы длины газоразрядной трубки (Р л /L 0 ), не зависит от давления рабочей смеси и радиуса трубки. Предельные значения этого параметра составляют Р л /L 0 ≤50­100 Вт/м, что достигается использованием рабочей смеси с высоким содержанием гелия (большое X ).

Конструкция СО 2 ­лазеров позволяет обеспечить высокий уровень энергетической, частотной и угловой стабильности выходного излучения. Надлежащее согласование осевой симметрии активной среды и резонатора позволяет обеспечить надежную селекцию поперечных мод и выделение низшей моды ТЕМ 00 . Стабильность углового положения выходного излучения позволяет с высокой точностью контролировать местоположение сфокусированного пучка на поверхности формного материала. Малая апертура генерируемого пучка дает возможность применять относительно дешевые оптические элементы. Качество излучения лазера дает возможность фокусировать его пучок в пятно размером 50­100 мкм и получать интенсивность излучения в пятне до 108 Вт/см 2 .

В лазерах с конвективным охлаждением рабочей смеси, осуществляемым путем ее быстрой прокачки через зону газового разряда, достигаются высокие уровни рабочих давлений и удельного объемного энерговклада по сравнению с соответствующими параметрами диффузионных лазеров. Это обеспечивается за счет резкого сокращения времени охлаждения смеси при быстрой прокачке по сравнению со временем диффузионного охлаждения.

При фиксированном радиусе трубки продольная прокачка газа может увеличить удельный съем мощности излучения с единицы длины приблизительно на порядок, то есть до Р/L 0 ≈500­1000 Вт/м. Турбулентный характер течения газа может привести к росту скорости его охлаждения, сравнимому со скоростью конвективного охлаждения.

Рис. 3. Схематическое изображение СО 2 -лазера с быстрой поперечной прокачкой: 1 - вентилятор (компрессор); 2 - область разряда; 3 - теплообменник

Перспективной в плане повышения мощности лазера является также схема с поперечной прокачкой газа (рис. 3). Время конвективного охлаждения в этой схеме может быть на 3­4 порядка меньше, чем у диффузных лазеров. При этом основным фактором, ограничивающим значение вкладываемой в разряд мощности, становится устойчивость разряда. Мощность лазера с поперечной прокачкой, имеющего газоразрядную камеру (ГКР) с длиной вдоль оптической оси L 0 и высотой h 0 , определяется полным расходом газовой смеси Gг , максимальной температурой ее нагрева Tmаx и электрооптическим КПД η эо :

где Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении; ρ г - плотность рабочей смеси; v 0 - скорость прокачки.

В условиях конвективного охлаждения смеси поперечным потоком с единицы длины в направлении оптической оси можно снять мощность излучения Р/L 0 ≈ 0,3­100 кВт/м, что существенно превышает удельные съемы излучения, достигаемые при других способах охлаждения рабочей смеси. Как правило, прокачка рабочей среды осуществляется по замкнутому газодинамическому тракту.

Типичные схемы конвективных СО 2 ­лазеров с продольной и поперечной прокачкой состоят из нескольких цилиндрических (продольная прокачка) или одной прямоугольной (поперечная прокачка) разрядных камер, резонатора, теплообменников, вентилятора, газоводов и выходного окна. Стабильность химического состава активной среды в условиях замкнутого газодинамического цикла поддерживается за счет непрерывного обновления малой доли смеси (~0,1­1% расхода в контуре) или с помощью размещаемых в контуре регенераторов.

Ионный аргоновый лазер

Ионный аргоновый лазер является одним из самых сложных и дорогостоящих устройств, но, несмотря на это, его довольно широко используют в различных областях, в том числе для воспроизведения изображений, поскольку такой лазер способен генерировать достаточно мощное излучение в очень важных областях спектра - в коротковолновой части видимого диапазона и в УФ­области. Наиболее мощное излучение обеспечивается на нескольких линиях сине­зеленой области в диапазоне 457,9­514,5 нм, причем самыми сильными линиями являются 488 и 514,5 нм. В ближней ультрафиолетовой области лазер работает на двух длинах волн - 351,1 и 363,8 нм. Обе эти области представляют большой практический интерес, так как соответствуют области максимальной чувствительности широко используемых фото­ и формных материалов.

Аргоновый лазер работает на ионных переходах, имеющих относительно высокие энергетические уровни, поэтому для накачки этого лазера требуется сильноточный разряд. Мощность излучения вначале растет приблизительно пропорционально кубу тока; в режимах же, близких к рабочим, эта зависимость носит примерно квадратичный характер. При дальнейшем увеличении плотности тока (600­1000 А/см 2) наблюдается насыщение, а далее следует спад, вплоть до исчезновения генерации (рис. 4). Спад мощности обусловлен в основном девозбуждением электронами верхних лазерных уровней, пленением УФ резонансного излучения (λ = 72 нм), 100% ионизацией, вытеснением газа и др.

Рис. 4. Зависимость мощности излучения аргонового лазера от плотности разрядного тока

Рис. 5. Схема лазера на аргоне: 1 - окна под углом Брюстера; 2 - катод; 3 - система охлаждения; 4 - керамический капилляр; 5 - обмотка соленоида; 6 - анод; 7 - обводной канал

Из­за большой плотности тока в газоразрядной трубке происходит перекачка ионов Ar+ по направлению к катоду, что приводит к срыву генерации. В целях компенсации этого эффекта в конструкции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа (рис. 5). Для предотвращения возникновения разряда через эту трубку она делается длиннее основной газоразрядной трубки. Кроме того, трубку обычно помещают в постоянное магнитное поле, параллельное оси трубки. Продольное магнитное поле в значительной степени влияет на параметры плазмы; траектории электронов, движущихся поперек силовых линий поля к стенкам разрядной трубки, закручиваются. В результате частота соударений в плазме повышается, а потери на стенках уменьшаются. Напряжение горения разряда в магнитном поле снижается, и при том же разрядном токе мощность излучения увеличивается, то есть растет КПД.

Водяное охлаждение значительно осложняет эксплуатацию аргоновых лазеров, однако оно необходимо при мощности излучения порядка 1 Вт и при потребляемой мощности около 10 кВт. Если мощность излучения составляет 100­200 мВт, то возможно ограничиться принудительным воздушным охлаждением.

В настоящее время выпускается множество видов ионных газовых лазеров, рассчитанных на различные уровни мощности излучения. Наибольшее распространение в промышленности получили приборы, работающие в непрерывном режиме и имеющие мощность излучения от долей милливатт до 5­20 Вт при КПД 0,01­0,1%. В отдельных образцах получена мощность излучения до сотен ватт при КПД до десятых долей процента.

Использование мощных газовых разрядов требует принятия специальных мер для предохранения от разрушения оболочек и других конструктивных элементов газоразрядных трубок. Поэтому по конструктивному выполнению ионный аргоновый лазер значительно сложнее других газовых лазеров.

Полупроводниковые лазеры

Инжекционный лазер

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с p­n­ переходом (поэтому часто используется термин «лазерный диод»), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p­n­ переход.

Активная среда инжекционного лазера (рис. 6) размещена в тонком прямоугольном параллелепипеде, расположенном между р­ и n­ слоями полупроводниковой структуры; толщина d активной области около 1 мкм. Полированные или сколотые торцы кристалла (шириной w ), выполненные оптически плоскими и строго параллельными, в такой конструкции действуют как оптический резонатор (аналог резонатора Фабри-Перо). Коэффициент отражения оптического излучения на полированных плоскостях кристалла достигает 20­40%, что обеспечивает необходимую положительную обратную связь без применения дополнительных технических средств (специальных зеркал или отражателей). Однако боковые грани кристалла имеют шероховатую поверхность, что уменьшает отражение оптического излучения от них.

Накачка активной среды в лазерном диоде обеспечивается внешним электрическим смещением р­n­ перехода в прямом направлении. При этом через р­n­ переход протекает значительный ток I лд и достигается интенсивная инжекция возбужденных носителей заряда в активную среду полупроводникового лазера. В процессе рекомбинации инжектированных электронов и дырок излучаются кванты света (фотоны).

Лазерные колебания возбуждаются и генерируются, если усиление фотонов в активной среде превышает потери оптического излучения, связанные с частичным выводом, рассеянием и поглощением фотонов. Коэффициент усиления фотонов в активной среде полупроводникового лазера оказывается значительным только при интенсивной инжекции заряда. Для этого необходимо обеспечить достаточно большой электрический ток I лд .

Чтобы систему с активным веществом превратить в генератор, необходимо (как и в радиотехнике) создать положительную обратную связь, то есть часть усиленного выходного сигнала нужно возвратить в кристалл. Для этого в лазерах используются оптические резонаторы. Типичным резонатором является резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух параллельных плоских зеркал и обеспечивающий многократное прохождение волны через активное вещество, расположенное между этими зеркалами. Для вывода излучения по крайней мере одно зеркало делается полупрозрачным. В полупроводниковом лазере роль резонатора выполняют параллельные грани кристалла, создаваемые методом скола.

Кроме того, необходимо обеспечить электрическое, электронное и оптическое ограничения. Суть электрического ограничения состоит в том, чтобы максимальная доля пропускаемого через структуру электрического тока проходила через активную среду. Электронное ограничение - это сосредоточение всех возбужденных электронов в активной среде и принятие мер против их расплывания в пассивные области. Оптическое ограничение должно предотвратить растекание светового луча при его многократных проходах через кристалл и обеспечить удержание лазерного луча в активной среде. В полупроводниковых лазерах это достигается за счет того, что зона удержания луча характеризуется несколько большим значением показателя преломления, чем соседние области кристалла, - вследствие этого возникает волноводный эффект самофокусировки луча. Неодинаковость показателей преломления достигается различием в характере и степени легирования зон кристалла, включая использование гетероструктур.

Важным условием лазерной генерации является превышение порога возбуждения. Действительно, создание в активной среде инверсной населенности, обеспечение положительной обратной связи с помощью оптического резонатора определяют те энергетические предпосылки, которые необходимы, но отнюдь не достаточны для возникновения лазерного эффекта. Мешают такие факторы, как поглощение в среде, затрата части подводимой энергии на бесполезный разогрев кристалла, краевые эффекты, неидеальность зеркал резонатора, спонтанные излучательные и безызлучательные переходы. Необходимость восполнить эти потери и обусловливает наличие порога лазерной генерации.

При рекомбинации свободных электронов и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может сообщаться кристаллической решетке (переходить в тепло) или излучаться в виде квантов света (фотонов). Для полупроводниковых лазеров принципиально важным является испускание фотонов (излучательная рекомбинация). В кремниевых и германиевых полупроводниках доля рекомбинационных актов, вызывающих излучение фотонов, весьма невелика; такие полупроводники по существу непригодны для лазеров.

Иначе протекают рекомбинационные процессы в бинарных (двойных) полупроводниках типа А 3 В 5 (а также А 2 В 6 и А 4 В 6), где в определенных, технически совершенных условиях доля излучательной рекомбинации приближается к 100%. Такие полупроводники являются прямозонными; возбужденные электроны проходят запрещенную зону, теряя энергию и излучая фотоны напрямую, не изменяя импульса и направления движения, без дополнительных стимулирующих условий и средств (промежуточных энергетических уровней и тепловых воздействий). Вероятность прямых излучательных переходов оказывается наиболее высокой.

Среди бинарных соединений типа А 3 В 5 в качестве лазерных материалов доминируют кристаллы арсенида галлия GaAs. Расширение физических и технических возможностей полупроводниковых лазеров обеспечивают твердые растворы арсенида галлия, в которых атомы дополнительных элементов (алюминия - Al, индия - In, фосфора - Р, сурьмы - Sb) смешаны и жестко фиксированы в общей кристаллической решетке базовой структуры. Распространение получили тройные соединения: арсенид галлия-алюминия Ga 1–x Al x As, арсенид индия-галлия In x Ga 1–x As, арсенид-фосфид галлия GaAs 1–x P x , арсенид-антимонид галлия GaAs x Sb 1–x и четверные соединения: Ga x In 1–x Asy P 1–y , Al x Ga 1–x Asy Sb 1–y . Содержание (х или у ) конкретного элемента в твердом растворе задано в пределах 0<х <1, 0<у <1.

Эффективно излучающими прямозонными полупроводниками являются двойные соединения А 3 В 5 (InAs, InSb, GaSb), A2B6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdTe, CdSe), группа (PbS, PbSe, PbTe) и твердые растворы (Zn 1–x Cd x S, CdS 1–x Se x , PbS 1–x Se x , Pb x Sn 1–x Te).

Длина волны излучения полупроводникового лазера достаточно жестко связана с шириной запрещенной зоны, которая, в свою очередь, четко определяется физическими свойствами конкретного полупроводникового соединения. Варьируя состав лазерного материала, можно изменять ширину запрещенной зоны и, как следствие, длину волны лазерного излучения.

Инжекционные лазеры имеют следующие достоинства:

сверхминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения - к 1 мкм 2 ;

высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу; это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери: вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов;

удобство управления - низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режиме с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

Управление полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) обеспечивается схемотехническими средствами и потому оказывается относительно несложным. Мощность излучения Ризл полупроводникового лазера (рис. 7) зависит от инжекционного тока Iлд (тока возбуждения) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока Iлд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока Iлд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения Ризл . Однако генерируемая мощность Ризл и в этом режиме пропорциональна уровню тока Iлд . Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера прямо связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока Iлд .

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М (рис. 7а ) фиксируется на пологом участке ватт­амперной характеристики Ризл = (Iлд ) в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока Iлд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N ), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока Iлд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт­амперной характеристики (рис. 7б ). Изменение тока Iлд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

Рис. 7. Диаграммы управления мощностью излучения полупроводникового лазера в режимах цифровой (а) и аналоговой (б) модуляции

Инжекционным лазерам присущи и недостатки, к наиболее принципиальным из которых можно отнести:

Невысокую когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) - значительную ширину спектральной линии;

Большую угловую расходимость;

Асимметрию лазерного пучка.

Асимметрия лазерного луча объясняется явлением дифракции, из­за которой световой поток, излучаемый прямоугольным резонатором, расширяется неодинаково (рис. 8а ): чем у же торец резонатора, тем больше угол излучения . В полупроводниковом лазере толщина d резонатора заметно меньше его ширины w; поэтому угол излучения || в горизонтальной плоскости (рис. 8б ) меньше угла 1 в вертикальной плоскости (рис. 8в ), а луч полупроводникового лазера имеет эллиптическое сечение. Обычно || ≈ 10­15°, a 1 ≈ 20­40°, что явно больше, чем у твердотельных и, особенно, газовых лазеров.

Для устранения асимметрии эллиптический гауссов пучок света с помощью скрещенных цилиндрических линз (рис. 9) преобразуют в пучок круглого сечения.

В допечатных процессах лазерные диоды нашли чрезвычайно широкое применение В качестве источников экспонирующего излучения во многих фотовыводных и формовыводных устройствах, а также в цифровых печатных машинах.

Как правило, лазерное излучение поступает на экспонируемый материал от лазерного диода через оптико­волоконные световоды. Для оптимального оптического согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов используются цилиндрические, сферические и стержневые (градиентные) линзы.

Цилиндрическая линза (рис. 10а ) позволяет преобразовать сильно вытянутый эллипс пучка лазерного излучения и придать ему на входе в волоконный световод почти круглое сечение. При этом эффективность ввода лазерного излучения в многомодовый световод достигает 30%.

Сферическая линза (рис. 10б ) обеспечивает преобразование расходящихся лучей лазерного излучения в параллельный пучок света значительного диаметра, что заметно облегчает дальнейшее преобразование и оптимальный ввод оптического излучения.

Эффективным элементом такого преобразования и ввода является стержневая (градиентная) линза, которая фокусирует излучение в пучок, сходящийся под необходимым (относительно небольшим) углом с числовой апертурой волоконного световода. Стержневые линзы имеют цилиндрическую форму с плоскими торцами для ввода оптического излучения. В стержневой (градиентной) линзе, как и в градиентном оптическом волокне, коэффициент преломления не является постоянным, а уменьшается пропорционально квадрату расстояния: от центральной оси (то есть пропорционально квадрату радиуса). Однако, в отличие от градиентного световода, у градиентной линзы большой диаметр (1­2 мм) и нет оболочки.

На рис. 11а показаны траектории светового пучка в градиентной линзе, в которую вводится параллельный пучок, далее изменяется и продвигается по синусоидальной траектории. Такая траектория распространения света имеет период (шаг)

где g - параметр, определяющий распределение показателя преломления (и, как следствие, степень фокусировки) линзы.

Создавая (вырезая) градиентный стержень определенной длины L , можно четко сформировать определенные фокусирующие свойства линзы. Если L = Lр /2, то падающий параллельный пучок света можно сфокусировать в объеме линзы, а затем вывести его вновь в виде параллельного пучка.

Градиентная линза длиной L = Lp /4 фокусирует параллельный пучок света в пятно небольшого диаметра (рис. 11б ), что эффективно при вводе пучка оптического излучения значительного диаметра в волоконный световод с небольшой числовой апертурой.

Формируя градиентную линзу длиной L ≤ Lp /2 в техническом варианте, представленном на рис. 11в , можно успешно согласовать по оптическому каналу полупроводниковый лазер и волоконный световод.

Твердотельный лазер

Твердотельные лазеры принципиально отличаются от газовых тем состоянием, в котором находится рабочее вещество, а также характером его накачки. Если в газовых лазерах широко используют самые разнообразные способы накачки (электрические, оптические, химические, тепловые и т.д.), то в твердотельных лазерах их выбор более ограничен. Накачка производится обычно через охлаждающую рабочее вещество жидкость и осуществляется оптическими средствами - с помощью излучения газоразрядных ламп, светодиодов, лазеров и т.п. Наиболее широко применяют ламповую накачку.

Обычно в конструкции твердотельного лазера (рис. 12) используются активный (лазерный) стержень 1 и лампа накачки 2 одинаковой («карандашной») конструкции. Зеркала 3 и 4 оптического резонатора разделены управляющим оптическим затвором 5 . Для эффективного применения энергии оптической накачки стержень 1 и лампа 2 помещены в замкнутый рефлектор 6 эллиптической формы. При этом элементы 1 и 2 размещаются в фокусах эллиптического сечения рефлектора, что позволяет сконцентрировать энергию оптической накачки в объеме активной среды. Рефлектор 6 заполнен охлаждающей жидкостью, которая периодически прокачивается через лазер.

Среди лазерных материалов наиболее представительной является группа ионных кристаллов с примесями. Кристаллы неорганических соединений фторидов (CaF 2 , LaF 3 , LiYF 4 ), оксидов (Al 2 O 3 ) и сложных соединений (CaWO 4 , Y 3 Al 15 O 12 , Ca 5 (PO 4 ) 3 F) содержат в кристаллической решетке ионы активных примесей, редкоземельных (самария Sm 2+ , диспрозия Dy 2+ , тулия Tw 2+ , Tw 3+ , празеодима Pr 3+ , неодима Nd 3+ , эрбия Er 3+ , гольмия Нo 3+), переходных (хрома Cr 3+ , никеля Ni 2+ , кобальта Со 2+ , ванадия V 2+) элементов или ионов урана U 3+ . Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких процентов (по массе). Генерация возбуждается методом оптической накачки, причем энергия в основном поглощается примесными ионами. Рассматриваемые лазерные материалы отличаются высокой концентрацией активных частиц (10 19 ­10 21 см -3), весьма небольшой шириной линии генерации (0,001­0,1 нм) и малой угловой расходимостью генерируемого излучения.

К недостаткам этих материалов следует отнести низкий (1­5%) коэффициент преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в системе «лампа накачки-кристалл», сложность изготовления лазерных стержней больших размеров и необходимой их оптической однородности.

Лазерные кристаллы с дозированными примесями выращиваются, как правило, посредством направленной кристаллизации расплава в специальных кристаллизационных аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность температуры расплава и скорости роста кристалла. Из выращенных кристаллов вырезаются цилиндрические стержни длиной до 250 мм и диаметром 2­20 мм. Торцы стержней шлифуются, а затем полируются. В большинстве случаев стержни изготавливаются с плоскими торцами, параллельными друг другу (с точностью 3­5”) и строго перпендикулярными геометрической оси стержня. Возможно применение торцов сферической и иных конфигураций.

Из твердотельных лазеров наиболее широкие возможности для обработки информации имеют лазеры на гранате, которые успешно конкурируют с газовыми лазерами благодаря тому, что могут работать в самых разнообразных режимах - в непрерывном, импульсном и т.д. По сравнению с СО 2 ­лазерами они работают на значительно более короткой длине волны, что позволяет фокусировать излучение твердотельных лазеров в пятно меньшего размера. По сравнению с аргоновыми лазерами они обеспечивают в 2­3 раза большее значение коэффициента полезного действия. К их преимуществам относятся также компактность, мобильность и т.д. По сравнению с газовыми, лазеры на гранате являются более дорогими и при эксплуатации требуют большего внимания к профилактике - необходимы периодическая замена ламп накачки, поддержание чистоты охлаждающей жидкости, через которую осуществляется накачка. Кроме того, в лазере на гранате существуют некоторые трудности с обеспечением стабильности излучения.

Для эффективного использования энергии излучения лампы накачки применяют замкнутый рефлектор, заполненный охлаждающей жидкостью, прокачиваемой через его объем. Одной из наиболее эффективных форм рефлектора является эллиптическая. При такой форме сечения рефлектора лампу накачки и активный элемент располагают в фокусах эллиптического сечения, что обеспечивает максимальную концентрацию световой энергии накачки в толще активного элемента.

В качестве зеркал оптического резонатора в твердотельном лазере могут использоваться оптически обработанные торцы активного элемента, в случае необходимости снабжаемые отражающими покрытиями для получения требуемых значений коэффициентов отражения и пропускания. Если необходимо получить специальные свойства лазерного излучения (характер поляризации, модовый состав и т.п.), зеркала оптического резонатора могут быть и внешними, что также может быть обусловлено технологией оптической обработки и нанесения покрытий.

Активный элемент и лампа накачки твердотельного лазера обычно требуют жидкостного охлаждения в тех случаях, когда мощность излучения лазера не является достаточно малой (на уровне милливатт). Это приводит к усложнению конструкции, так как через охлаждающую жидкость будет проходить энергия накачки, которая не должна заметно поглощаться этой жидкостью.

Обычно твердотельные лазеры, кроме источника питания, комплектуются специальной системой охлаждения с насосом и теплообменником, что ведет к снижению суммарного коэффициента полезного действия и вызывает необходимость выполнения дополнительных профилактических работ при эксплуатации.

Вариант исполнения ND:YAG­лазера с ламповой накачкой приведен на рис. 13. Твердотельные ND:YAG­лазеры с ламповой накачкой были первыми лазерными источниками, примененными в системах CtP для флексографии. Сегодня они установлены во многих системах, ибо являются проверенным надежным решением. Компоненты таких лазеров отрабатывались в течение нескольких десятилетий, и сегодня их производством занимаются сотни компаний во всем мире.

Рис. 14. Вариант исполнения Nd:YAG-лазера с полупроводниковой накачкой: 1 - заднее зеркало; 2 - лазерные диоды оптической накачки; 3 - кристалл Nd:YAG; 4 - корпус; 5 - заслонка; 6 - выходное зеркало, 7 - модулятор света; 8 - фокусирующая оптическая система

Ряд недостатков, присущих этим лазерам, вынудил в некоторых случаях искать им замену. Развитие и совершенствование лазерной техники в 90­е годы. привело к распространению твердотельных лазеров, где ламповый источник света был заменен полупроводниковыми лазерами (диодами). Один из вариантов оптической системы таких лазеров представлен на рис. 14. В лазерах с полупроводниковой (диодной) накачкой вместо ламп используются мощные лазерные диоды, излучающие свет именно той длины волны (808 нм), которая необходима для генерации лазерного излучения кристаллом Nd:YAG­лазера. Главное отличие этих лазеров от лазеров с ламповой накачкой заключается в значительно более высокой (на порядок) эффективности преобразования излучения мощных лазерных диодов, что позволяет избежать высокого электропотребления и обойтись без интенсивного внешнего водяного охлаждения (внутренний контур водяного охлаждения активного тела лазера все же необходим). Все это делает системы записи изображения с такими лазерами более удобными в эксплуатации.

Мощность лазеров с полупроводниковой накачкой позволяет расщепить пучок лазерного излучения на несколько раздельно управляемых пучков, причем без ухудшения качества излучения. Вследствие этого такие лазеры незаменимы для построения многолучевых оптических систем записи, используемых для повышения производительности, поскольку несколько лучей экспонируют материал параллельно.

В устройствах с расщеплением лазерного пучка (в отличие от систем, где используются два различных лазера) с течением времени на растровом изображении не появляется полошения. Известно, что в лазерах через какое­то время может происходить слабое отклонение лазерного пучка, которое выражается в небольшом (в несколько микрон) смещении пятна записи на материале в произвольном направлении. Но когда два луча получаются посредством расщепления единого пучка, это смещение для обоих пятен записи происходит синхронно и не приводит к проблемам. Если же применены два лазера, то возможно рассогласование пятен, которое приводит к появлению полос на изображении. Этот эффект можно устранить только повторной калибровкой, которая может быть выполнена лишь силами специально обученного персонала.

Волоконный лазер

Логическим развитием твердотельных лазеров стали волоконные лазеры, где в качестве накачки также используются лазерные диоды. Эти источники были разработаны для телекоммуникационных систем волоконной связи, где они применяются в качестве усилителей сигналов. Представьте себе, что кристалл, в котором происходит генерация полезного лазерного излучения, как бы растянут на несколько десятков метров и представляет собой сердцевину волокна диаметром несколько микрон, которая находится внутри кварцевого волокна. Излучение диодов направляется в кварцевое волокно, и на всем его протяжении происходит оптическая накачка сердцевины.

Применение лазерного стекла в качестве активного элемента в твердотельных лазерах известно давно. В отличие от кристаллов, лазерные стекла имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонентами SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , BeF 2 , в них содержатся Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3 , Sb 2 O 3 . Активными примесями чаще всего служат ионы неодима Nd 3+ ; используются также гадолиний Gd 3+ , эрбий Er 3+ , гольмий Но 3+ , иттербий Yb 3+ . Концентрация ионов неодима Nd 3+ в стеклах доходит до 6% (по массе).

В лазерных стеклах достигается высокая концентрация активных частиц. Другим достоинством таких стекол является возможность изготовления активных элементов больших размеров практически любой формы и с очень высокой оптической однородностью. Стекла получают в платиновых или керамических тиглях. К недостаткам использования стекол в качестве лазерных материалов следует отнести относительно широкую полосу генерации (3­10 нм) и низкую теплопроводность, препятствующую быстрому отводу тепла при мощной оптической накачке.

Волоконные лазеры имеют очень высокую (до 80%) эффективность преобразования излучения лазерных диодов в полезное излучение. Для обеспечения их работы достаточно воздушного охлаждения. Эти лазерные источники весьма перспективны для систем цифровой записи печатных форм.

Рис. 15. Оптическая система с волоконным лазером: 1 - сердцевина, легированная иттербием, диаметр 6-8 мкм; 2 - кварцевое волокно, диаметр 400-600 мкм; 3 - полимерная оболочка; 4 - внешнее защитное покрытие; 5 - лазерные диоды оптической накачки; 6 - оптическая система накачки; 7 - волокно (до 40 м); 8 - коллиматор; 9 - модулятор света; 10 - фокусирующая оптическая система

На рис. 15 представлена схема работы волоконного лазера с полупроводниковой накачкой и в общем виде весь оптический тракт вплоть до обрабатываемого материала. Главная особенность этого лазера состоит в том, что излучение здесь рождается в тонком, диаметром всего 6­8 мкм, волокне (сердцевине; например, активной средой может быть иттербий), которое находится внутри кварцевого волокна диаметром 400­600 мкм. Излучение лазерных диодов накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, имеющего в длину несколько десятков метров.

Излучение оптически накачивает сердцевину, и именно здесь, на атомах иттербия, происходят физические превращения, приводящие к возникновению лазерного излучения. Вблизи концов волокна на сердцевине делают два так называемых дифракционных зеркала в виде набора насечек на цилиндрической поверхности сердцевины (дифракционные решетки) - так создается резонатор волоконного лазера. Общую длину волокна и количество лазерных диодов выбирают, исходя из требуемой мощности и эффективности. На выходе получается идеальный одномодовый лазерный пучок с весьма равномерным распределением мощности, что позволяет сфокусировать излучение в пятно малого размера и получить большую, чем в случае мощных твердотельных Nd:YAG­лазеров, глубину резкости.

Стоит также отметить, что ряд таких свойств излучения волоконных лазеров, как, например, характер поляризации пучка, делает удобным и надежным управление этим излучением с помощью акусто­оптических устройств и позволяет реализовать многолучевые схемы записи изображений.

Поскольку оптическая накачка идет по всей длине волокна, то отсутствуют такие свойственные обычным твердотельным лазерам эффекты, как термолинза в кристалле, искажения волнового фронта вследствие дефектов самого кристалла, нестабильность луча во времени и др., которые всегда препятствовали достижению максимальных возможностей твердотельных систем. Однако сами принципы строения и работы волоконного лазера гарантируют высокие эксплуатационные характеристики и делают данные устройства совершенными преобразователями светового излучения в лазерное.

Лазеры с полупроводниковыми активными элементами довольно специфичны – физика процессов, методы накачки и конструкция сильно отличаются от лазеров на других средах. Поэтому прежде кратко напомним об некоторых особенностях этих кристаллов. В атоме энергия электрона принимает строго определенные дискретные значения; энергетические состояния электрона в атоме описываются на языке уровней. В кристалле же вместо системы уровней рассматриваются энергетические зоны. Энергия электрона может принимать любое значение в пределах зоны. Одновременно в зоне может находиться, хотя и очень большое, но все же конечное число электронов, поэтому зона может быть полностью или не полностью заполненной электронами. Зона начинает заполняться электронами снизу, т.е. в направлении от более низких к более высоким значениям энергии. Степень заполнения зон электронами, величина межзонных промежутков, возможное взаимное перекрытие зон – все это позволяет объяснить общеизвестное деление твердых тел на металлы, диэлектрики и полупроводники. В дальнейшем изложении важны именно полупроводники, поэтому ограничимся энергетическими состояниями электронов в полупроводниковых кристаллах.

Особо выделяются две энергетические зоны – так называемую валентную и расположенную над ней (по шкале энергий) зону проводимости. Между зонами есть промежуток запрещенных значений энергии шириной не более 1 – 3 эВ ; его называют запрещенной зоной (это – зона значений энергии, которых электроны в данном веществе принимать не могут ). Допустим, что температура полупроводника равна абсолютному нулю. В этом случае валентная зона должна быть полностью заполнена электронами, а зона проводимости должна быть пустой. В действительности же температура всегда выше абсолютного нуля, поэтому можно говорить о тепловом возбуждении электронов. Оно приводит к тому, что часть электронов перескакивает из валентной зоны в зону проводимости; таких электронов будет тем больше, чем выше температура полупроводника. В результате в зоне проводимости появляется некоторое (относительно небольшое) количество электронов; в то же время валентной зоне до ее полного заполнения теперь не хватает соответствующего числа электронов.

Отсутствие электрона в валентной зоне удобно представлять как наличие в ней положительно заряженной частицы; ее называют дыркой. В беспримесном полупроводнике число электронов в зоне проводимости (в единице объема кристалла) точно равно числу дырок в валентной зоне. Квантовый переход электрона через запрещенную зону снизу вверх можно рассматривать как генерацию электронно-дырочной пары¾появление электрона в зоне проводимости и одновременное появление дырки в валентной зоне. Электроны сосредоточиваются у нижнего края зоны проводимости, а дырки у верхнего края валентной зоны. Наряду с переходами через запрещенную зону снизу вверх возможны также обратные переходы–сверху вниз. Электрон может совершить скачок из зоны проводимости обратно в валентную зону; такой процесс называют рекомбинацией электрона и дырки .

Будем облучать полупроводник светом такой частоты, чтобы энергия фотонов слегка превышала ширину запрещенной зоны. Такой фотон может быть поглощен электроном вблизи верхнего края валентной зоны. В результате электрон совершит квантовый переход в зону проводимости. Практически с такой же вероятностью фотонможетвызватьвстречныйпроцесс– переход в валентную зону электрона из зоны проводимости (вблизи её нижнего края). При этом будет испущен еще один фотон (вторичный), причем в том же направлении, в каком летел первичный фотон. В первом случае имеем поглощение света в полупроводнике, а во втором – вынужденное испускание света. Возможно также самопроизвольное возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону – спонтанное испускание света.

Для создания полупроводникового лазера необходимо обеспечить преобладание процессов вынужденного испускания света над процессами его поглощения. Иначе говоря, надо сделать так, чтобы полупроводник мог усиливать излучение. Для этого надо получить инверсную заселённость «рабочих уровней», в качестве которых здесь выступают нижний край зоны проводимости и верхний край валентной зоны. Концентрация электронов у нижнего края зоны проводимости (т.е. на верхнем «рабочем уровне») должна быть больше, чем у верхнего края валентной зоны (на нижнем «уровне»). Инвертированный полупроводник характеризуется достаточно высокой концентрацией электронов у нижнего края зоны проводимости и соответственно высокой концентрацией дырок у края валентной зоны; такие полупроводники называют вырожденными. Заметим, что могут быть полупроводники, вырожденные только по электронам проводимости или только по дыркам. В рассмотренных выше чистых, или беспримесных, полупроводниках возможно лишь одновременное вырождение – и по электронам, и по дыркам.

Внесение в полупроводниковый кристалл тех или иных примесей существенно изменяет его свойства. Примеси бывают разные. Атомы одних примесей легко отдают в зону проводимости по одному из своих электронов; такие примеси называют донорными, а полупроводники с такими примесями – n -полупроводниками. Атомы других примесей, напротив, захватывают по одному электрону из валентной зоны; это акцепторные примеси и соответственно полупроводники р -типа, или р -полупроводники.

Для создания инверсии можно привести в контакт друг с другом два вырожденных полупроводника разного типа: п -полупроводник и р - полупроводник (coздaть так называемый р-п – переход ). Известно, что р-п – переход обладает свойством односторонней проводимости, потому и усиливающий элемент такого типа часто именуют лазерным диодом. К области контакта прикладывается электрическое напряжение так, как изображено на рисунке 4, а . Под действием поля электроны из п -полупроводника будут перемещаться (инжектировать), в эту же область будут инжектировать дырки из p -полупроводника. В указанной области развернётся рекомбинация - там будут происходить переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону. На этих переходах при наличии оптического резонатора возможна лазернаягенерация. Таков принципработы полупроводниковых лазеров, называемых инжекционными (схемаприведенанарисунке 4, б ).Энергия когерентного излучения здесь черпается за счет энергии источника тока, подключенного к контакту разнородных примесных полупроводников.

Рисунок 4 - Принципиальное устройство инжекционного полупроводникового лазера

а )схема инжекции носителей заряда в области контакта;

б ) схема расположения элементов в лазере:

(I) - область р – n -перехода (активный слой лазерного диода), (II) – верхний электрод, (III) – нижний электрод; плоский резонатор образован обеими отполированными гранями (IV) диода, ориентированными перпендикулярно плоскости р-п – перехода. Стрелками указано направление вывода излучения

Широко применяется инжекционный лазер на арсениде галлия (GaAs ). Вырожденный п -полупроводник получают при внесении в GaAs примеси теллура; концентрация примеси примерно 5×10 18 см -3 . Вырожденный р -полупроводник получается при внесении в GaAs примеси цинка; концентрация примеси порядка 10 19 см -3 . Генерация происходит на длинах волн от 0,82 до 0,9 мкм . Инжекционные лазеры отличаются своей миниатюрностью; линейные размеры граней полупроводникового активного элемента могут составлять всего 1 мм . Толщина излучающей области (области р – n -перехода) равна 2 мкм . Мощность излучения такого лазера порядка 10 мВт в непрерывном режиме. Ввиду особой компактности и высокой надёжности инжекционные лазеры оказалось выгодным использовать в современных системах передачи и обработки информации. Один из разработанных в последнее время инжекционных лазеров, применение которого стремительно развивается – лазер на основе нитрида галлия (GaN ), излучающий в зеленой части видимого спектра с низким поглощением мощности свечения в воздухе и в воде. Инжекционные лазеры характеризуются высоким КПД, который может составлять 50 – 70%. Применение находят и другие лазеры на полупроводниковых кристаллах, например, лазеры с накачкой электронным пучком.