- •Лазерная техника Содержание
- •1. Газовые лазеры (гл)
- •Классификация гл
- •1.2. Некоторые сведения из физики газового разряда
- •1.2.1. Понятие плазмы газового разряда
- •1.2.2. Основные элементарные процессы в плазме гр
- •1.2.3. Понятие устойчивости гр
- •1.2.4. Описание гр с помощью вольтамперной характеристики (вах)
- •1.2.5. Несамостоятельный гр и его применение в гл
- •1.2.6. Самостоятельный гр и его применение в гл
- •1.2.7. Особенности конструкции гл с самостоятельным гр
- •1.2.8. Использование переменных полей для возбуждения гл
- •1.2.9. Импульсный гр и его применение в гл
- •1.3.1. Схема энергетических уровней молекулы , участвующих в процессе лазерной генерации
- •1.3.2. Создание инверсии на лазерных переходах
- •1.3.3. Формирование частотного спектра лазерного излучения
- •1.3.4. Зависимость мощности генерации со -лазера от температуры активной среды
- •1.3.5. Диффузионное охлаждение рабочей смеси
- •1.3.6. Многолучевые системы на базе диффузионного лазера
- •1.3.7. Конвективное охлаждение рабочей смеси
- •1.3.8. Импульсные -лазеры
- •1.3.9. Газодинамические -лазеры
- •1.5. Химические лазеры
- •1.5.1. Основные требования, необходимые для прямого преобразования химической энергии в световую
- •1.6. Атомарные лазеры (Не-Ne-лазер)
- •1.7. Ионные лазеры (Ar-лазер)
- •1.8. Лазеры на самоограниченных переходах
- •1.9. Эксимерные лазеры
- •2.Твердотельные лазеры с оптической накачкой
- •2.1. Общие характеристики и особенности генерации твердотельных лазеров с оптической накачкой
- •2.2 Рубиновый лазер
- •2.3. Лазеры на стекле с неодимом
- •2.4. Лазеры на гранате с неодимом (иаг-лазеры)
- •3. Полупроводниковые лазеры
- •3.1. Вынужденное излучение в полупроводниках
- •3.2. Создание инверсии в полупроводниках
- •3.3. Лазеры на гомоструктурах
- •3.4. Лазеры на гетероструктурах
- •4. Лазеры на растворах органических красителей
- •4.1. Лазерные красители
- •4.1.1. Общие сведения
- •4.1.2. Поглощение света лазерными красителями и их флуоресценция
- •4.1.3. Пути дезактивации возбужденных молекул красителя
- •4.1.4. Распространенные красители
- •4.2. Условие генерации
- •4.2.1. Режим многократного прохождения излучения в резонаторе
- •4.2.2. Режим сверхизлучения
- •4.3. Системы накачки
- •4.3.1. Поперечный способ накачки
- •4.3.2 Продольный способ накачки
- •4.4. Дисперсионные резонаторы лазеров на красителях
- •4.4.1. Резонаторы с дифракционной решеткой
- •4.4.2. Резонаторы с оптическими призмами
- •4.4.3. Резонаторы с интерферометром Фабри-Перо
- •4.4.4. Лазеры на красителях с распределенной обратной связью
1.6. Атомарные лазеры (Не-Ne-лазер)
Активной частицей в этом, наиболее распространенном классе газовых лазеров является нейтральный атом, инверсная заселенность в котором создается между двумя, как правило, достаточно высоко расположенными электронными уровнями. Наиболее яркий
едставитель этого класса Не -Ne-лазер, предложенный в 1961 г. А. Джаваном, явился первым газовым лазером. Несмотря на то, что в настоящее время описаны десятки газовых лазеров, он остается наиболее простым, доступным и распространенным в практической деятельности лазерным устройством.
Рабочей частицей в Не Ne-лазере является атом неона (строго говоря, более правильно назвать его неоновым лазером). Атом гелия играет вспомогательную роль, обеспечивая эффективное заселение верхнего уровня и возможность генерации в непрерывном режиме. Принцип работы Не-Ne-лазера иллюстрируется упрощенной схемой уровней Не и Ne
(рис. 36). Так же как и в случае СО2-лазера, в основе создания инверсной заселенности уровней атома Ne лежит высокая эффективность резонансных процессов передачи возбуждения в результате неупругих столкновений частиц между собой. В Не -Ne-лазере верхние лазерные уровни Ne Зs и 2s близки к метастабильным уровням Не 2 S и 2 S (дефицит энергии равен 300 см , что соответствует поступательной энергии ~ 3(2 М Т при температуре 300 К). Эти метастабильные уровни Не весьма эффективно заселяются электронным ударом в процессе
(1.46)
а затем передают свою энергию атомам Ne в процессе
He(2 S ,2 S )+Ne He( S )+Ne(3s ,2s ) (1.47)
В атоме Ne р-состояния имеют более короткое время жизни относительно спонтанных переходов на уровень 1S, чем s-состояние. Поэтому между s- и р-состояниями может существовать инверсная заселенность, приводящая к возникновению генерации с длинами волн 0,63, 1,15 и 3,39 мкм.
Поддержанию генерации на указанных переходах может существенно мешать высокая заселенность метастабильного уровня Ne — 1s, приводящего к заселению нижнего лазерного уровня 2р электронным ударом
Ne(ls)+ е Ne(2p )+ е
|
|
|
кПа мм |
|
10:1 |
3s |
3.39 |
5:1 |
0.4-0.6 |
0,1 |
0.3 |
3s |
0.63 |
5:1 |
0.4-0.6 |
0,05 |
0.1 |
2s |
1.15 |
10:1 |
1.2-2 |
0,03 |
0.05 |
Эффективное расселение уровня 1s происходит при столкновении атома Ne со стенками разрядной трубки. Именно необходимость расселения уровня 1s и уменьшения вероятности процесса (1.48) ограничивает сверху значение произведения давления рабочей смеси р и диаметра разрядной трубки D , на уровне pD =5 — 15торр мм, а также ток разряда на уровне 25-50мА. Оптимальные для генерации различных лазерных переходов составы смесей, параметров pD а также типичные значения коэффициентов усиления среды, удельных съемов излучения и электрооптического КПД приведены в табл. 3. В тех случаях, когда необходимо предусмотреть возможность переключения длин волн генерации одного и того же лазера, параметры его газоразрядной трубки выбирают в диапазоне D ~ 5 — 10 мм, р : p = 5:15, р=0,1-0,3 кПа, а резонатор снабжают сменными зеркалами, рассчитанными на эффективное отражение излучения с нужной длиной волны.
Как видно из табл. 3, Не Ne-лазеры не отличаются высокой мощностью излучения (типичный диапазон — десятки мВт) и имеют весьма низкий КПД (~0,1%). Это обстоятельство объясняется низким значением квантового КПД ( 5% ), а также упомянутыми выше ограничениями на диаметр разрядной трубки, давление рабочей смеси и ток разряда.
Низкие уровни мощности излучения позволили упростить и сделать максимально надежной конструкцию Не -Ne-лазера. Аналогично СО2-лазеру, она состоит из сменной газоразрядной трубки с наклоненными под углом Брюстера торцевыми пластинками и впаянными электродами и резонатора, состоящего из глухого и выходного зеркал. При необходимости изменения длины излучения выходное зеркало делают сменным.
Несмотря на низкие энергетические характеристики, не позволяющие использовать He- Ne-лазер в термической и селективной технологии, он является самым распространенным газовым лазером. Причина такой популярности обусловлена прежде всего его уникальными спектральными характеристиками. Благодаря низкому давлению газа, ширина линии излучения Не-Ne-лазера определяется эффектом Доплера и составляет ~10 Гц. При 9 характерных длинах лазера (~10 см) расстояние между собственными частотами резонатора составит также ~10 Гц. Поэтому Не Ne-лазер позволяет осуществлять одночастотную 9 генерацию на одной продольной моде и обладает исключительно высокой монохроматичностью и стабильностью излучения ( ). Эти качества, а также возможность генерации в видимом диапазоне длин волн делают Не-Хе-лазер незаменимым элементом во многих оптических устройствах, предназначенных для измерения расстояний, контроля размеров, лазерной связи и научных исследований. Очень часто Не -Ne-лазер используется в качестве вспомогательного оборудования для юстировки и визуализации положения луча в других лазерных системах. Большой интерес вызывают появившиеся в последнее время сведения о возможности эффективного использования Не-Ne-лазеров в медицине.
Среди других лазеров на нейтральных атомах можно назвать Не — Хе-лазер, излучение которого лежит в ближнем ИК-диапазоне (3,5 мкм) и имеет мощность ~10 мВт.