8.8.   Сравнительная характеристика лазеров

В табл. 8.2 представлены параметры малогабаритных лазеров, а в табл. 8.3 – основные технические параметры наиболее распространенных лазеров.

Таблица  8.2

Параметры малогабаритных лазеров

Тип

Размер, см

КПД

Фе,

мВт

, мкм

, град

,

В

Газовый

10

0,1

0,1 – 10

0,63

10-6 – 10-9

0,03 – 0,15

103 – 104

Твердотельный

1

1 – 2

10 – 104

1,06

10-4

1

До 103

Полупро-водниковый

0,1

10 – 20

10 – 100

0,8 – 0,9

2·10-3

10

1,5 – 3

Важно подчеркнуть, что диапазон длин волн, который мо­гут теперь перекрыть лазеры, весьма широк (приблизительно 0,1 – 103 мкм, т.е. четыре порядка между границами спектраль­ного диапазона). Помимо длины волны имеются и другие параметры лазеров, которые могут изменяться в широких преде­лах. Действительно, выходная мощность лазеров может изменяться от милливаттного уровня в маломощ­ных непрерывных лазерах до 100 кВт (а возможно, и до значи­тельно более высокого уровня, но информация о таких лазерах зас
екречена) в мощных непрерывных лазерах и до 100 ТВт в импульсных лазерах. Аналогично можно получать длительно­сти лазерных импульсов также в широких пределах: от миллисе­кунд (в импульсных твердотельных лазерах) до пикосекунд (в лазерах с синхронизацией мод).

Габариты различных типов лазеров изменяются также в необычно широких пределах – от нескольких микрон до нескольких десятков метров (один из самых длинных лазеров, который использовался в геодезии, имел длину 6,5 км!). Огромное разнообразие типов лазеров и их выходных параметров представляет собой, возможно, одну из наиболее удивительных особенностей лазерной отрасли. Это означает также, что существование столь многих типов лазеров приводит к большому разнообразию их возможных применений.

Анализ табличных данных приводит к выводу, что универсальным источником ко­герентного излучения для микрооптоэлектроники может быть лишь инжекционный полупроводниковый лазер.

Сравнивая полупроводниковые лазеры с лазерами других типов, можно выделить следующие достоинства полу­проводниковых лазеров:

1) малые массо-габаритные показатели и большое оптическое усиление ( см -1);

2) высокий КПД (почти 100  %);

3) простота накачки лазера: инжекция не требует вы­соких питающих напряжений и мощностей;

4) высокое быстродействие;

5) возможность генерации излучения заданной длины волны в широком диапазоне, что достигается выбором по­лупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны;

6) технологическая и эксплуатационная совместимость с элементами интегральной оптики.

Таблица  8.3

Основные технические параметры наиболее распространенных лазеров

Тип лазера

Активная среда

Длина волны, мкм

Режим работы

Мощность

 излучения

Частота повторения импульсов, Гц

Длительность импульса

Расходимость излучения

КПД,  %

ГЛ

He – Ne

0,63

Непрерывный

0,5 – 50 мВт

-

-

0,7 – 3,5 мрад

0,01 – 0,1

CO2 – N2

10,6

Непрерывный

1 – 1,5·104 Вт

-

-

До 25 мрад

До 20

10,6

Импульсный

10 – 5·103 Вт

(средняя)

До 2,5·104

0,006 – 100 мкс

До 7 мрад

До 6

Ar

0,33 – 0,53

Непрерывный

0,01 – 20 Вт

-

-

0,5 – 1,5 мрад

0,01 – 0,1

DF

(химический)

3,5 – 4

Непрерывный

1 – 1·104 Вт

-

-

1,8 – 15 мрад

-

KrF

(эксимерный)

0,249

Импульсный

20 – 250 Вт

(средняя)

До 103

4·10-3 – 1 мкс

0,1 – 6 мрад

0,03 – 2

ЖЛ

Органические красители

0,25 – 1,01

Квазинепрерывный

0,1 – 3 Вт

(средняя)

108

<1 пс

1,4 – 1,5 мрад

30 – 60

ТЛ

Алюмоиттриевый гранат с неодимом

1,06

Непрерывный

0,05 – 103 Вт

-

-

2 – 24 мрад

1 – 3

1,06

Импульсный свободной генерации

20 – 600 Вт

(средняя)

1 – 300

0,1 – 10 мс

3 – 24 мрад

1 – 2

1,06

Импульсный с модулированной добротностью

2 – 100 МВт

(пиковая)

0,1 – 100

2 – 25 нс

0,3 – 3 мрад

0,4 – 1

1,06

Режим синхро­низации мод

0,02 – 2 ГВт

(пиковая)

10

30 – 150 пс

0,3 – 0,7 мрад

0,01<
/p>

Рубин

0,6943

Импульсный свободной генерации

1 – 38 Вт

(средняя)

0,016 – 5

0,3 – 3 мс

3 – 18 мрад

0,1 – 1

Рубин

0,6943

Импульсный с модулированной добротностью

0,02 – 1 ГВт

(пиковая)

0,017 – 1

12 – 30 нс

0,3 – 1 мрад

До 0,1

ПЛ

CaAs

0,8 – 0,9

Непрерывный (одиночные лазеры)

5 – 40 мВт

-

-

20 – 40 град

1 – 30

GaAlAs

0,8 – 0,9

Непрерывный (интегральные решётки)

100 – 500 мВт

-

-

20 – 40 град

10 – 20

0,8 – 0,9

Импульсный (одиночные лазеры)

5 – 30 Вт

(пиковая)

103

102 нс

20 – 40 град

10 – 20

GaInAs GaAlInAs

1,3 – 1,5

Непрерывный

1 – 5 мВт

-

-

20 – 40 град

10 – 20

PbS, PbSe, PbTe

4 – 15

Непрерывный с глубоким охлаждением

0,1 мВт

-

-

1 град

~5

Современным полупроводниковым лазерам присущи та­кие недостатки:

1) относительно низкие параметры когерентности излу­чения  ( и ), что    объясняется высокой плотностью активного вещества, малой длиной резонатора и малой вы­ходной апертурой;

2) низкая долговечность, равная для промышленных образцов 103 – 104 ч; в то же время теоретические расчеты показывают, что долговечность инжекционных лазеров мо­жет быть выше 105 ч.

Снижение долговечности реальных приборов прежде всего связывается с постепенной деградацией (старением) полупроводникового лазера. Деградация стимулиру

ется очень высокими плотностями тока, а также потоков опти­ческой и тепловой мощности, которые характерны для ра­боты полупроводниковых лазеров.

Основным деградационным эффектом является увеличе­ние концентрации безызлучательных центров в активной области за счет внедрения атомов неконтролируемых при­месей и образования новых дефектов. Кроме того, наблюдается снижение активности излучательных центров и воз­растание поверхностной рекомбинации.

К числу важнейших технологических средств снижения деградации и соответственно увеличения долговечности полупроводниковых лазеров относятся:

1) выбор структурно однородного материала (как по электрическим, так и по теплофизическим параметрам);

2) совершенствование конструкции кристалла;

3) улучшение монтажа кристалла и теплоотвода.

В областях применения, требующих больших импульс­ных мощностей излучения в сочетании с высокой направ­ленностью (локация, подсветка целей, дальняя волоконно-оптическая связь и т.п.), наибольшие перспективы имеют твердотельные лазеры.

Газовые лазеры неизменно остаются вне конкуренции во всех тех устройствах и системах, где определяющей является высокая степень когерентности излуче­ния.