Контрольныевопросы

1. Какиефункциивыполняютотдельныекомпонентыгазовойсмеси?

2. Чемобусловленасильнаятемпературнаязависимостьусиленияак-тивнойсреды СО₂-лазера?

3. НазовитеспособыувеличениясрокаслужбыСО₂-лазеров.

4. Назовитепричинывысоких КПДимощностиСО₂-лазеров.

5. Вчемсостоитобщаяидеяопределенияпоказателяусиленияактив-нойсреды?Коэффициентаусиления заодинпроход?

6. НазовитеспособырегулировкивходноймощностиСО₂-усилителя.

7. Какснизитьвлияниенестабильностимощностиизлучениянаре-зультатырасчета показателя усиления?

8. ОбъяснитеходвыходнойхарактеристикиСО₂-лазера.

9. КаковыпричиныотличиязависимостейР_л=f(I_л)иР_ус=f(I_ус)?

10. Объяснитеходзависимостипоказателяусиленияотуровнявходно-госигнала.

11. КакрассчитатьКПДСО₂-лазераиградиентпотенциалаE?

3. Лазерына парахметаллов

Гелий-кадмиевые(He–Cd)лазерыявляютсяпредставителямиклассаионныхлазеровнапарахметаллов.Ониизлучаютвфиолетовой(λ=441нм)ивультрафиолетовой(λ=325нм)областяхспектра.Длинаволныгенерации

определяетсявыборомсоответствующихзеркалрезонатора.Гелий-кадмиевые лазеры выгодно отличаются от гелий-неоновых спектром излуче-ния,обеспечивающимлучшеесогласованиесхарактеристикамичувстви-тельности большинства современных фотоматериалов, возможностью болееострой фокусировки коротковолнового излучения. Это обстоятельство делаетHe–Cd-лазеры перспективными источниками излучения для систем записи ивоспроизведения информации, голографии и технологии микроэлектроники,например при изготовлении фотошаблонов интегральных микросхем. Нарядус этим He–Cd-лазеры успешно применяются в спектроскопии, медицине, си-стемахоптической связи и т.п.

Активная среда (АС) He–Cd-лазеров содержит инертный газ He поддавлением 500...700 Па и пары Cd (0,1 Па). Излучающими частицами являют-ся возбужденные ионы кадмия. В силу малой концентрации атомов Cd ихвозбуждение за счет прямых столкновений с электронами играет незначи-тельную роль. Основным процессом накачки активной среды He–Cd-лазераявляется ионизация Пеннинга – процесс образования возбужденного ионалегкоионизируемой частицы (атома Cd) при столкновении с возбужденнымметастабильным атомом буферного газа He, имеющего большое сечение воз-буждения(рис.7.2).Схематическиэтотпроцесс можнозаписатьтак:

He+e^–(W₁)=He^*+e^–(W_2<W₁);

He^{*+ Cd = He +}Cd^+*; Cd^{+*= Cd++}hν,

гдеW₁,W₂– энергии электронов, соответственно, до и после столкновения;Cd^+*–возбужденныйионкадмия;hν–энергияиндуцированного кванта.

W, эВ20

18

16

14

12

10

8

0

Рис.7.2.ЭнергетическаядиаграммаHe–Cd-лазера

Ионизация Пеннинга – процесс одноступенчатый, и поэтому скоростьнакачки будет пропорциональна плотности разрядного тока, а не ее квадрату,какэтоимеетместовионныхаргоновыхлазерах.Посравнениюсаргоновы-

ми, He–Cd-лазеры требуют меньшей плотности разрядного тока и меньшейудельной подводимой мощности. Для получения иона кадмия в возбужден-ном состоянии Cd^{+*необходимо, чтобы энергия метастабильного атома He*была несколько больше, чем энергия возбужденного иона Cd+*}. Такие усло-вия выполняются для метастабильных состояний 2¹S₀, 2³S_{1гелия и термов}²D,²Pкадмия. Энергетические уровни²Dкадмия служат верхними лазерны-ми уровнями,²P– нижними. Инверсия в He–Cd-смеси существует стацио-нарно, так как опустошение нижних уровней возбужденного иона кадмияCd^{+*происходит быстрее, чем верхних. Нейтрализация ионов Cd+}наиболеевероятнана стенкахразрядной трубки.

Разряднаятрубкагелий-кадмиевоголазерачащевсегопредставляет

собой капилляр диаметром 1,5...2,5 мм, на концах которого в расширенияхрасполагаются испарители кадмия, а за ними – электродные узлы (рис. 7.3).Возможнои коаксиальноеисполнениеHe–Cd-лазера.

ПарыCdобразуютсяврабочемиспарителе,снабженномвнешнимэлектрическимподогревателем.Температуруиспарителяи,соответственно,

давление паров Cd определяет в основном ток подогревателяI_под. Часть теп-ловой мощности на уровне 30…40 % подводится к испарителю за счет про-текающеготокаразрядаI.Равномерноераспределениепаровкадмияподлине капилляра достигается за счет эффекта катафореза – переноса ионов ккатоду. Пары Cd, образующиеся врабочем испарителе, расположенном состороны анода, попадают в разрядный капилляр, ионизуются и движутся всторону катода. Для устранения осаждения паров кадмия температура стеноккапилляра, определяемая разрядным токомI, должна быть выше температу-ры конденсации (350…400 К). Конденсация паров Cd происходит в нерабо-чем холодном испарителе. Ввиду постоянной перекачки кадмия из рабочегоиспарителя требуются периодическая (примерно через 50 ч) смена полярно-сти электродов и переключение испарителей. Поэтому конструкция разряд-нойтрубкиHe–Cd-лазера полностьюсимметрична.

1 2 3 4 5 6 5 4 3 2 1

Рис.7.3.СхемаHe–Cd-лазера:1–зеркаларезонатора;2–выходныеокна;3–конденсационныеловушкипаровкадмия;4–подогревателииспарителя;

5–испарителикадмия; 6–разрядныйкапилляр;7 –электроды(катод,анод)

Наряду с возбуждением активной среды за счет ионизации Пеннинганаличие гелия под давлением в сотни паскалей обеспечивает оптимальную, сточкизрениявыходаиндуцированногоизлучения,температуруэлектронов

T_e, поддерживает разряд на участках, не содержащих паров кадмия. К такимучасткам относятся промежутки между испарителями и электродами. Крометого,гелийустраняетдиффузионныйразлетпаровCdизнагретыхзон,ослабляя процесс конденсации паров на холодных оптических элементах, иобеспечивает приемлемый для практики срок службы газоразрядной трубкилазера. Целям защиты оптики служат и имеющиеся на пути паров Cd расши-рения – конденсационные ловушки. He–Cd-лазер обладает тепловой инерци-онностью, обусловленной необходимостью создания рабочей плотности па-ров кадмия. Совместно с тепловой инерционностью оптического резонатора,изменяющего свою геометрию под действием тепла, выделяющегося в раз-ряднойтрубке,этосвойствоприводитксущественномудрейфусреднеймощностиизлучениявначальныйпериодпослевключениялазера.

График энергетической (выходной) характеристики He–Cd-лазера – за-висимости выходной мощностиРот тока разрядаI– имеет максимум. Воз-растающийучастокобусловленростомконцентрациивозбуждающихчастиц

n_e–электронов, насыщениеиспад–девозбуждениемверхнихионныхлазер-

ных уровней электронами при интенсивном ростеn_e. С ростом тока разрядаусиливаетсятакже нагревразрядногоканалаииспарителя Cd.

СущественноевлияниенавыходнуюмощностьHe–Cd-лазераоказы-

вает температураT_Cdиспарителя, определяющая давление паров Cd в поло-жительномстолберазряда.Первоначальноростконцентрацииn_Cdпомере

повышениятемпературыиспарителя сопровождаетсявозрастанием выход-ноймощностииз-заувеличениячислаизлучающихчастицCd^+*.Дальнейшее

увеличениеконцентрациилегкоионизируемогоCdприводиткснижениюэлектронной температурыT_{eи градиента потенциала}E_z=f(T_e) в положи-тельномстолбе.Механизмтемпературногосниженияэнергииэлектроновсо-

стоитвтом,чтопомереувеличенияn_{Cdрастет}ичислоионовCd⁺,вовлекае-

мых в процесс компенсации отрицательного объемного заряда электронов вплазме.ЛегкоионизируемыепарыCd(энергияионизацииW_i=9эВ)подме-

няютионыHe⁺,имеющиеW_i=24,5эВ.Врезультате,требуемаядляподдер-

жания разряда энергияW_e=kT_eэлектронов падает, снижаетсяT_eи уменьша-ется эффективность возбуждения гелия. Соответственно, снижается и ско-рость накачки верхнего лазерного уровня Cd^+*, а значит, падает генерируе-маямощностьP.Встречныетенденциивповедениитемпературнойзависи-

мостимощностиизлученияP=f(T_Cd)приводятксуществованиюоптималь-

ной температурыT_opt= 450…500 K. На практике температура испарителя Cdна40…50%определяетсяразряднымтокомлазера.Остальнойвкладвнагревопределяетэлектрическийтокнагревателяиспарителякадмия.

В He–Cd-лазерах, как и в He–Ne-лазерах, низок КПД АС – эффектив-ностьпреобразованияэнергиивозбужденияАС(порядка20эВ)вэнергию

квантов индуцированного излученияhν (см. рис. 7.2). ОптимальныеT_e, ха-рактерные дляHe–Cd-разряда,имеют порядок8·10^4Кипредопределяютнизкий электронный КПД в процессе передачи энергии атомам He, возбуж-даемымнауровнисэнергией20…21эВ.Электрическиехарактеристики

тлеющего разряда, используемого в He–Cd-лазерах, определяются в основ-ном свойствами и давлением буферного газа – гелия. В рабочем режимеE_zиопределяемоеимпадениенапряжениянаразрядеуменьшаютсянеболеечем

на10…15%посравнениюс разрядом вчистом He. Гелий-кадмиевые лазеры

могут генерировать когерентную мощность до 50...100 мВт (λ = 441 нм) приКПДодногопорядкасгелий-неоновыми лазерами(10^–4...10^–5).

В газоразрядных и, в частности, в He–Cd-лазерах флуктуации токамо-гут приводить к модуляции усиления и, как следствие, к модуляции мощно-стиизлученияР.СростомчастотыFколебанийтокаглубинамодуляциииз-

лученияm_P=P_m/P_{0падает.}Этообусловлено,впервуюочередь,инерцион-

ностьюпроцессанакачкиактивнойсреды–конечностьювременижизниt₂

верхнеголазерногоуровня:чембольшеt₂,темменьшеграничнаячастотаF_гр

колебанийтока,которыеещемогутзаметномодулироватьизлучениелазера.

Собственныеколебаниятокаразрядаопределяютсямногообразиемпроцессов взаимодействия частиц в плазме, а также взаимодействием внеш-ней электрической цепи и разряда в целом. К числу таких колебаний отно-сятся реактивные (релаксационные) колебания, страты, колебания двойногослоя и катодные колебания. Реактивные колебания (десяткисотни кило-герц) проявляютсяпри малых, предобрывных токах разряда, соответствую-щих большой крутизне падающей вольт-амперной характеристики разряда иусиливаются при возрастании паразитной емкости “катоданод”. Страты,или слоистые колебания, обусловлены несовпадением по длине разряда мак-симумовионизацииивозбужденияатомов.Врезультатевозникаютпро-странственные слои (ионизационные волны) с повышенной концентрациейлибо ионов, либо возбужденных атомов. Слои, как правило, перемещаются сбольшой скоростью вдоль оси разряда, образуя бегущие страты, усиливаю-щиеся от катода к аноду. Страты не только модулируют ток и излучение вовремени, но и делают разряд пространственно неоднородным. В He–Cd-лазе-ре чаще присутствуют не регулярные страты – колебания на одной частоте, ашумовые, спектр которых включает большое число гармоник. Разностныечастотыгармоникпопадаютвнизкочастотнуюобласть(до80...100кГц)и

сильно модулируют когерентное излучение с амплитудамиP_mот единиц додесятков процентов, формируя спектр вида 1/F. В He–Cd-разряде условия,обеспечивающие максимальное усиление активной среды, одновременно яв-ляются благоприятными и для существования интенсивных страт. Колебаниядвойногослоявместахрезкогоизменениядиаметраразрядногопромежуткаи катодные колебания сами по себе слабо модулируют ток, но могут иниции-ровать возникновение страт. Относительный вклад собственных колебанийразряда в модуляцию лазерного излучения всегда падает с ростом превыше-нияусилениявактивнойсреденад потерямивоптическомрезонаторе.

Собственныеколебанияразрядаможноослабитьсоответствующимподбором геометрии, наполнения и тока. В He–Cd-лазере снижение уровняфлуктуациймощностиизлучениявозможноврежимевнешнеймодуляции

тока на частотеF_max(в области спектрального максимума шумовых страт)илинакратныхейчастотах.Врезультатепринудительнойсинхронизации

страт в спектре колебанийPостается одна гармоника и как следствие исчеза-ет модуляция мощности излучения в низкочастотной области биений нерегу-лярныхстрат.Колебаниямощностиизлученияначастотевнешнеймодуля-

ции оказываются незначительными, поскольку обычноF_max>F_гр. Внешняясинхронизация нерегулярных страт в He–Cd-лазерах приводит одновременнои к резонансному повышению уровня средней мощностиPгенерации, чтообусловлено формированием пространственно более однородной АС с усло-виямиусиления,близкими коптимальным.