Классификация лазерных систем

Классификация лазеров начинается с ключевого признака — агрегатного состояния активной среды, в которой происходит усиление света за счёт вынужденного излучения. В зависимости от этого признака различают следующие типы лазеров:

Газовые лазеры

Активной средой служит газ или смесь газов. Важнейшие представители:

гелий-неоновый лазер — один из первых и широко используемых лазеров, излучает, как правило, в красной области спектра (λ = 632.8 нм);
углекислотный лазер (CO₂) — мощный лазер с длиной волны ~10.6 мкм, используемый в промышленности;
лазеры на ионах металлов (например, аргон-ионный, криптон-ионный) — обеспечивают узкополосное излучение в видимом и УФ диапазонах.

Газовые лазеры характеризуются высокой спектральной чистотой и качественным пучком, но сравнительно низкой эффективностью (до нескольких процентов).

Твердотельные лазеры

Активной средой является кристалл или стекло, легированные ионами редкоземельных или переходных металлов (например, ионы Nd³⁺, Er³⁺, Yb³⁺). Классические примеры:

лазер на иттрий-алюминиевом гранате (Nd:YAG) — широко применяется в медицине, промышленности, научных исследованиях;
рубиновый лазер (Cr³⁺:Al₂O₃) — первый в истории лазер, излучающий на λ = 694.3 нм.

Твердотельные лазеры обеспечивают высокую выходную мощность, прочную конструкцию и широкий диапазон режимов генерации (в том числе импульсный и наносекундный).

Жидкостные лазеры (лазеры на красителях)

Используют органические красители, растворённые в жидком растворителе, как активную среду. Эти лазеры:

обеспечивают непрерывную перестройку длины волны (от УФ до ближнего ИК);
используются в спектроскопии, медицине и научных установках. Основной недостаток — сложность в обслуживании, подверженность деградации красителя и необходимость перекачки активной жидкости.

Полупроводниковые лазеры (диодные лазеры)

Работают на основе p-n-переходов или квантовых ям и точек в полупроводниках. Их особенности:

высокая эффективность преобразования электрической энергии в свет (до 50%);
компактность и возможность интеграции в электронные системы;
широкий спектр длин волн, от УФ до ИК (в зависимости от состава полупроводника). Применяются в телекоммуникациях, системах записи и считывания информации, медицине, промышленности, военной технике.

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ)

В качестве активной среды используется пучок релятивистских электронов, движущийся через магнитную структуру (ондулятор). Особенности:

широкий диапазон перестройки длины волны;
возможность генерации рентгеновского излучения. Применяются в научных исследованиях, включая синхротронное излучение и структурную диагностику вещества.

По режиму работы

Различают лазеры, работающие:

В непрерывном режиме (CW)

Выходная мощность остаётся постоянной во времени. Применяется в промышленной резке, оптоволоконной передаче данных, спектроскопии.

В импульсном режиме

Излучение испускается в виде отдельных импульсов. Основные типы импульсной генерации:

квазинепрерывный режим (миллисекундные импульсы);
модуляция добротности (Q-switching) — позволяет получить короткие (наносекундные) импульсы большой мощности;
модуляция параметров накачки;
модуляция режима (mode-locking) — обеспечивает сверхкороткие импульсы (пикосекундные и фемтосекундные). Импульсные режимы широко используются в лазерной абляции, нелинейной оптике, микромеханике, медицине и физике плазмы.

По длине волны излучения

Лазеры можно классифицировать по диапазону генерируемых длин волн:

Ультрафиолетовые (λ < 400 нм): эксимерные лазеры (ArF, KrF), лазеры на ионах металлов.
Видимый спектр (400–700 нм): гелий-неоновый, диодные, красители, ионные лазеры.
Ближний ИК (0.7–3 мкм): Nd:YAG, диоды, волоконные лазеры.
Средний и дальний ИК (3–1000 мкм): CO₂-лазеры, лазеры на квантовых каскадах, СО-лазеры.

Диапазон длины волны определяет области применения: от хирургии и дерматологии до военной техники и дистанционного зондирования.

По способу возбуждения активной среды

Активация среды может происходить следующими методами:

Оптическая накачка — с помощью ламп-вспышек или других лазеров;
Электрический разряд — в газовых лазерах (например, CO₂, He-Ne);
Электронный пучок — для ЛСЭ;
Химическая реакция — в химических лазерах, например HF-лазерах;
Радиочастотное возбуждение — в газоразрядных системах.

Метод накачки напрямую влияет на КПД и стабильность работы лазерной системы.

По конструктивному исполнению

Лазеры можно разделить по конфигурации и способу формирования резонатора:

Унаправленные (с фиксированным пучком)

Обладают стабильным положением выходного пучка. Используются в стационарных установках.

Волоконные лазеры

Активная среда реализована в виде легированного оптического волокна. Преимущества:

высокая яркость;
малый вес и размеры;
устойчивость к внешним воздействиям;
возможность передачи энергии на значительные расстояния. Широко применяются в машиностроении, медицине, телекоммуникациях.

Интегральные лазеры

Наноразмерные системы, встроенные в чипы. Используются в фотонике, сенсорах, оптических вычислениях.

Дисковые и кольцевые лазеры

Особая архитектура активной среды и резонатора позволяет добиться высокой мощности и температурной устойчивости.

По уровню мощности и энергетическим характеристикам

Низкомощные лазеры (<100 мВт): применяются в бытовой электронике, медицинской диагностике, указках.
Средней мощности (100 мВт – 10 Вт): лабораторные, телекоммуникационные и промышленные системы.
Высокой мощности (10 Вт – несколько кВт): применяются в резке, сварке, обработке материалов.
Сверхмощные лазеры (до ТВт и выше в импульсе): используются в физике высоких энергий, ядерной физике, инерциальном термоядерном синтезе.

По назначению

Научные лазеры — точные системы с возможностью перестройки длины волны, сверхкороткими импульсами, высокой стабильностью.
Медицинские лазеры — используются в хирургии, дерматологии, стоматологии, офтальмологии.
Промышленные лазеры — обработка материалов, сварка, маркировка, резка.
Военные и аэрокосмические — дальномеры, целеуказание, подавление оптики, ЛИДАРы.
Коммуникационные — передача данных через оптоволоконные линии, инфракрасная связь.

По числу длин волн (моно- и многомодовые лазеры)

Мономодовые — излучают строго одну продольную моду. Обеспечивают высокую когерентность и спектральную чистоту.
Многомодовые — излучают несколько мод. Могут давать высокую мощность, но с меньшей когерентностью и стабильностью спектра.

По длине и форме импульсов

Наносекундные лазеры — используются в задачах лазерной спектроскопии, микрообработке.
Пикосекундные — высокоточные, используются в нелинейной оптике.
Фемтосекундные лазеры — применяются в прецизионной микрообработке, фотохимии, диагностике ультрабыстрых процессов.

По типу резонатора

Фабри-Перо — классический вариант, две плоскопараллельные зеркальные поверхности.
Кольцевой резонатор — лазерный пучок циркулирует по замкнутому контуру. Используется в лазерной гироскопии.
Дифракционные резонаторы — применяются для управления распределением мод и формирования особых профилей пучка.
Неосциллирующие лазеры (однопроходные усилители) — не имеют зеркал, но дают сильное усиление входного сигнала (например, в CPA-системах).

Классификация лазеров позволяет не только структурировать их разнообразие, но и подбирать оптимальные параметры системы под конкретные задачи — от научных экспериментов до промышленной резки стали и терапии сетчатки глаза.