LS-Sb86481

Введение

Лабораторные работы по дисциплине “Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства” выполняются бригадами студентов из 2–3 человек. К выполнению работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по правилам техники безопасности и неукоснительно соблюдающие их [1].

Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с лабораторной установкой и расположением органов управления и измерительных приборов; с дополнительными инструкциями и схемами, прилагаемыми к лабораторной установке. Перед ее включением необходимо убедиться в исправности всех заземляющих устройств; проверить наличие и исправность светонепроницаемых ограждений и защитных очков, защитных диэлектрических средств; проверить исправность защитных блокировок.

Внимание! Лабораторную установку можно включать только с разрешения преподавателя после получения инструктажа на рабочем месте.

Необходимо строго соблюдать меры предосторожности, исключающие возможность попадания прямого или отраженного лазерного излучения на человека.

Выключение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя после подписания протокола исследования.

Индивидуальный отчет о лабораторной работе должен включать:

1.Цель и содержание работы.

2.Схему лабораторной установки с пояснением принципа ее работы.

3.Таблицы и графики экспериментальных и расчетных зависимостей, расчетные формулы и примеры вычислений.

4.Обработанные осциллограммы сигналов с указанием масштаба осей координат, картины распределения интенсивности световых волн, а также дополнительные данные, оговариваемые в разделах “Порядок выполнения работы”.

5.Выводы, в которых анализируются полученные экспериментальные результаты и причины возможного отличия их от теоретических закономерностей.

Все таблицы и рисунки в отчете должны быть пронумерованы и снабжены необходимыми подписями, поясняющими суть и условия проведенных экспериментов и расчетов. Протоколы испытаний прилагаются к отчету.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕЛИЙ-КАДМИЕВОГО ЛАЗЕРА

Цель работы: ознакомление с принципом действия, конструкцией, особенностями эксплуатации и характеристиками ионного катафорезного лазера на парах металла с накачкой постоянным током.

1.1. Основные положения

Гелий-кадмиевые (He–Cd) лазеры являются представителями класса ионных лазеров на парах металлов. Они излучают в фиолетовой (λ = 441 нм) и ультрафиолетовой (λ = 325 нм) областях спектра. Длина волны генерации определяется выбором соответствующих зеркал резонатора. Гелийкадмиевые лазеры выгодно отличаются от гелий-неоновых спектром излучения, обеспечивающим лучшее согласование с характеристиками чувствительности большинства современных фотоматериалов, возможностью более острой фокусировки коротковолнового излучения. Это обстоятельство делает He–Cd-лазеры перспективными источниками излучения для систем записи и воспроизведения информации, голографии и технологии микроэлектроники, например при изготовлении фотошаблонов интегральных микросхем. Наряду с этим He–Cd-лазеры успешно применяются в спектроскопии, медицине, системах оптической связи и т. п.

Активная среда (АС) He–Cd-лазеров содержит инертный газ He под давлением 500...700 Па и пары Cd (0,1 Па). Излучающими частицами являются возбужденные ионы кадмия. В силу малой концентрации атомов Cd их возбуждение за счет прямых столкновений с электронами играет незначительную роль. Основным процессом накачки активной среды He–Cd-лазера является ионизация Пеннинга – процесс образования возбужденного иона легкоионизируемой частицы (атома Cd) при столкновении с возбужденным метастабильным атомом буферного газа He, имеющего большое сечение возбуждения (рис. 1.1). Схематически этот процесс можно записать так:

He + e–(W1) = He* + e–(W2 < W1);

He* + Cd = He + Cd+*; Cd+* = Cd+ + hν,

где W1, W2 – энергии электронов, соответственно, до и после столкновения; Cd+* – возбужденный ион кадмия; hν – энергия индуцированного кванта.

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма He–Cd-лазера Ионизация Пеннинга – процесс одноступенчатый, и поэтому скорость

накачки будет пропорциональна плотности разрядного тока, а не ее квадрату, как это имеет место в ионных аргоновых лазерах. По сравнению с аргоновыми, He–Cd-лазеры требуют меньшей плотности разрядного тока и меньшей удельной подводимой мощности. Для получения иона кадмия в возбужденном состоянии Cd+* необходимо, чтобы энергия метастабильного атома He* была несколько больше, чем энергия возбужденного иона Cd+*. Такие условия выполняются для метастабильных состояний 21S0, 23S1 гелия и термов 2D, 2P кадмия. Энергетические уровни 2D кадмия служат верхними лазерными уровнями, 2P – нижними. Инверсия в He–Cd-смеси существует стационарно, так как опустошение нижних уровней возбужденного иона кадмия Cd+* происходит быстрее, чем верхних. Нейтрализация ионов Cd+ наиболее вероятна на стенках разрядной трубки.

Разрядная трубка гелий-кадмиевого лазера чаще всего представляет собой капилляр диаметром 1,5...2,5 мм, на концах которого в расширениях располагаются испарители кадмия, а за ними – электродные узлы (рис. 1.2). Возможно и коаксиальное исполнение He–Cd-лазера.

Пары Cd образуются в рабочем испарителе, снабженном внешним электрическим подогревателем. Температуру испарителя и, соответственно, давление паров Cd определяет в основном ток подогревателя Iпод. Часть тепловой мощности на уровне 30…40 % подводится к испарителю за счет протекающего тока разряда I. Равномерное распределение паров кадмия по длине капилляра достигается за счет эффекта катафореза – переноса ионов к катоду. Пары Cd, образующиеся в рабочем испарителе, расположенном со стороны анода, попадают в разрядный капилляр, ионизуются и движутся в сторону катода. Для устранения осаждения паров кадмия температура стенок

капилляра, определяемая разрядным током I, должна быть выше температуры конденсации (350…400 К). Конденсация паров Cd происходит в нерабочем холодном испарителе. Ввиду постоянной перекачки кадмия из рабочего испарителя требуются периодическая (примерно через 50 ч) смена полярности электродов и переключение испарителей. Поэтому конструкция разрядной трубки He–Cd-лазера полностью симметрична.

1

7 7

Рис. 1.2. Схема He–Cd-лазера: 1 – зеркала резонатора; 2 – выходные окна; 3 – конденсационные ловушки паров кадмия; 4 – подогреватели испарителя; 5 – испарители кадмия; 6 – разрядный капилляр; 7 – электроды (катод, анод)

Наряду с возбуждением активной среды за счет ионизации Пеннинга наличие гелия под давлением в сотни паскалей обеспечивает оптимальную, с точки зрения выхода индуцированного излучения, температуру электронов Te, поддерживает разряд на участках, не содержащих паров кадмия. К таким участкам относятся промежутки между испарителями и электродами. Кроме того, гелий устраняет диффузионный разлет паров Cd из нагретых зон, ослабляя процесс конденсации паров на холодных оптических элементах, и обеспечивает приемлемый для практики срок службы газоразрядной трубки лазера. Целям защиты оптики служат и имеющиеся на пути паров Cd расширения – конденсационные ловушки. He–Cd-лазер обладает тепловой инерционностью, обусловленной необходимостью создания рабочей плотности паров кадмия. Совместно с тепловой инерционностью оптического резонатора, изменяющего свою геометрию под действием тепла, выделяющегося в разрядной трубке, это свойство приводит к существенному дрейфу средней мощности излучения в начальный период после включения лазера.

График энергетической (выходной) характеристики He–Cd-лазера – зависимости выходной мощности Р от тока разряда I – имеет максимум. Воз-

растающий участок обусловлен ростом концентрации возбуждающих частиц ne – электронов, насыщение и спад – девозбуждением верхних ионных лазерных уровней электронами при интенсивном росте ne. С ростом тока разряда усиливается также нагрев разрядного канала и испарителя Cd.

Существенное влияние на выходную мощность He–Cd-лазера оказывает температура TCd испарителя, определяющая давление паров Cd в положительном столбе разряда. Первоначально рост концентрации nCd по мере повышения температуры испарителя сопровождается возрастанием выходной мощности из-за увеличения числа излучающих частиц Cd+*. Дальнейшее увеличение концентрации легкоионизируемого Cd приводит к снижению электронной температуры Te и градиента потенциала Ez = f(Te) в положительном столбе. Механизм температурного снижения энергии электронов состоит в том, что по мере увеличения nCd растет и число ионов Cd+, вовлекаемых в процесс компенсации отрицательного объемного заряда электронов в плазме. Легкоионизируемые пары Cd (энергия ионизации Wi = 9 эВ) подменяют ионы He+, имеющие Wi = 24,5 эВ. В результате, требуемая для поддержания разряда энергия We = kTe электронов падает, снижается Te и уменьшается эффективность возбуждения гелия. Соответственно, снижается и скорость накачки верхнего лазерного уровня Cd+*, а значит, падает генерируемая мощность P. Встречные тенденции в поведении температурной зависимости мощности излучения P = f (TCd) приводят к существованию оптимальной температуры Topt = 450…500 K. На практике температура испарителя Cd на 40…50 % определяется разрядным током лазера. Остальной вклад в нагрев определяет электрический ток нагревателя испарителя кадмия.

ВHe–Cd-лазерах, как и в He–Ne-лазерах, низок КПД АС – эффективность преобразования энергии возбуждения АС (порядка 20 эВ) в энергию

квантов индуцированного излучения hν (см. рис. 1.1). Оптимальные Te, характерные для He–Cd-разряда, имеют порядок 8·104 К и предопределяют низкий электронный КПД в процессе передачи энергии атомам He, возбуждаемым на уровни с энергией 20…21 эВ. Электрические характеристики тлеющего разряда, используемого в He–Cd-лазерах, определяются в основ-

ном свойствами и давлением буферного газа – гелия. В рабочем режиме Ez и определяемое им падение напряжения на разряде уменьшаются не более чем на 10…15 % по сравнению с разрядом в чистом He. Гелий-кадмиевые лазеры могут генерировать когерентную мощность до 50...100 мВт (λ = 441 нм) при КПД одного порядка с гелий-неоновыми лазерами (10– 4... 10– 5).

Вгазоразрядных и, в частности, в He–Cd-лазерах флуктуации тока мо-

гут приводить к модуляции усиления и, как следствие, к модуляции мощности излучения Р. С ростом частоты F колебаний тока глубина модуляции излучения mP = Pm / P0 падает. Это обусловлено, в первую очередь, инерционностью процесса накачки активной среды – конечностью времени жизни t2 верхнего лазерного уровня: чем больше t2, тем меньше граничная частота Fгр колебаний тока, которые еще могут заметно модулировать излучение лазера.

Собственные колебания тока разряда определяются многообразием процессов взаимодействия частиц в плазме, а также взаимодействием внешней электрической цепи и разряда в целом. К числу таких колебаний относятся реактивные (релаксационные) колебания, страты, колебания двойного слоя и катодные колебания. Реактивные колебания (десятки сотни килогерц) проявляются при малых, предобрывных токах разряда, соответствующих большой крутизне падающей вольт-амперной характеристики разряда и усиливаются при возрастании паразитной емкости “катод анод”. Страты, или слоистые колебания, обусловлены несовпадением по длине разряда максимумов ионизации и возбуждения атомов. В результате возникают пространственные слои (ионизационные волны) с повышенной концентрацией либо ионов, либо возбужденных атомов. Слои, как правило, перемещаются с большой скоростью вдоль оси разряда, образуя бегущие страты, усиливающиеся от катода к аноду. Страты не только модулируют ток и излучение во времени, но и делают разряд пространственно неоднородным. В He–Cd-лазе- ре чаще присутствуют не регулярные страты – колебания на одной частоте, а шумовые, спектр которых включает большое число гармоник. Разностные частоты гармоник попадают в низкочастотную область (до 80...100 кГц) и сильно модулируют когерентное излучение с амплитудами Pm от единиц до десятков процентов, формируя спектр вида 1/F. В He–Cd-разряде условия, обеспечивающие максимальное усиление активной среды, одновременно являются благоприятными и для существования интенсивных страт. Колебания двойного слоя в местах резкого изменения диаметра разрядного промежутка и катодные колебания сами по себе слабо модулируют ток, но могут инициировать возникновение страт. Относительный вклад собственных колебаний разряда в модуляцию лазерного излучения всегда падает с ростом превышения усиления в активной среде над потерями в оптическом резонаторе.

Собственные колебания разряда можно ослабить соответствующим подбором геометрии, наполнения и тока. В He–Cd-лазере снижение уровня флуктуаций мощности излучения возможно в режиме внешней модуляции тока на частоте Fmax (в области спектрального максимума шумовых страт) или на кратных ей частотах. В результате принудительной синхронизации

При выполнении работы следует помнить о следующем: излучение лазера опасно для глаз и кожи человека. Необходимо полностью исключить попадание прямого и рассеянного лазерного излучения на находящихся в лаборатории людей. Высоковольтное питание лазера опасно для жизни. Необходимо строго соблюдать меры безопасности при работе на электроустановках. Включение лабораторной установки допустимо только с разрешения преподавателя после получения инструктажа на рабочем месте.

1.3.Порядок выполнения работы

1.Включить измерительные приборы.

2.Ручки регулятора сетевого напряжения (ЛАТРа) и регулятора тока подогревателя испарителя лазера установить в крайнее левое положение.

3.Включить тумблер “Высокое” на блоке питания лазера и на слух проконтролировать включение вентилятора.

4.Плавно повышая выходное напряжение блока питания с помощью ЛАТРа, возбудить разряд в лазерной трубке. Установить начальный ток раз-

ряда I0 = 70 мА и зарегистрировать начальное значение падения напряжения U0 на разрядной трубке. При возбуждении разряда в лазерной трубке выходное переменное напряжение ЛАТРа не должно превышать 200 В.

5.Включить тумблер “Испаритель”.

6.Регулятором установить ток подогревателя Iпод = 300 мА.

7.В течение 20 мин зарегистрировать на ленте самопишущего прибора временную зависимость мощности излучения P при вхождении лазера в рабочий режим. Скопировать диаграмму в протокол исследований и рассчитать масштаб по оси времени, исходя из скорости движения диаграммной ленты самопишущего прибора (180 мм/ч).

8.Зарегистрировать установившиеся значения разрядного тока Iуст, падения напряжения на лазерной трубке Uуст и мощности излучения Pуст.

9.При неизменном токе разряда I = Iуст = const (t) исследовать зависимость мощности излучения P и напряжения U на разрядной трубке от тока

подогревателя Iпод испарителя кадмия в диапазоне 400...120 мА. При снятии зависимостей P = f (Iпод) и U = f (Iпод) рекомендуется двигаться от исходной точки Iпод = 300 мА сначала в сторону увеличения тока подогревателя до 400 мА, а затем в сторону уменьшения до Iпод = 120 мА. Интервалы изменения Iпод можно выбирать в пределах 30…50 мА. Из-за тепловой инерционности процесса испарения кадмия при каждом значении тока подогревателя необходимо делать фиксированную выдержку не менее 5…7 мин. В процессе вы-