Лекции Таноса / KOE-09_-_Lazery
.pdf
1
2 
Газовые лазеры
3 |
Газовые разряды в лазерах |
|
nНесамостоятельный разряд - ионизация производится
внешним воздействием
nИмпульсный разряд - время нарастания (спада)
импульса тока меньше характерного времени заселения
nиначе – квазистационарный разряд
nинверсия населенности либо на фронте, либо на спаде
импульса тока
n Стационарный разряд
n дуговой
nбольшие плотности тока до 1 кА/см2
nвысокая эффективная температура газа
nяркий шнур разряда
nвысокая степень ионизации
n тлеющий
nнебольшие плотности тока порядка 10–5...10–1 А/см2
nнизкая температура газа, примерно равная температуре
окружающей среды
nслабая степень ионизации
4
Столкновения и сечения взаимодействия
n упругое столкновение (а)
nсуммарная кинетическая энергия не меняется
nпунктир - рассеяние при
электрона на тяжелых частицах
nдиффузионный режим – диаметр трубки >> свободного пробега
n неупругое столкновение
nкинетическая энергия меняется за счет внутренней
nпервого рода (б)
n Кинетическая энергия падает
n второго рода
nдевозбуждения в деионизации (в)
nпередача возбуждения при столкновении (г)
5
Распределения частиц в газе
n Электронная и ионная температура разные
nВ газовом разряде заряженные частицы ускоряются
nПовышение средней температуры в результате упругих столкновений и перераспределения энергии
nЭлектроны легче, подвижней и сильно отличаются по массе от атомов Те >> Ти ≥ T–Ионы наоборот
n
nНа Те влияет давление ↓, энергия ионизации ↑,
напряжение ↑ и диаметр трубки ↓
6 |
|
|
|
|
Процессы возбуждения |
|||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e + A = e + A* |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
n |
Прямое электронное возбуждение |
|||||||||||
e + A* = e + A** |
||||||||||||
n |
Ступенчатое электронное возбуждение: |
|||||||||||
n |
Ионизация электронным ударом: |
e + A = 2e + A+ |
||||||||||
n |
Девозбуждение и деионизация |
|
|
A* +e = A + e |
||||||||
|
|
|
|
|
A+ + e = A + E |
|
|
A** + e = A* +e |
||||
n |
Резонансная передача возбуждения |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
A* +B = B * + A + E |
E = |
|
EA* − EB* |
|
< kT |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
n |
Ионизация с перезарядкой |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
A+ + B ↔ A + (B+ ) * + E |
|||||||
n |
Ионизация Пеннинга |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
A* +B = A + B+ + e A* +B = A + (B+ ) * +e |
|||||||
n |
Химические реакции |
= AB *+C |
||||||||||
|
|
|
|
|
A + BC |
|||||||
7
Вспомогательный газ и селективная передача
n Энергии возбужденных состояний должны совпадать
n отличие не более чем на kT
nСостояние 1 было бы низшим возбужденным состоянием атома А
nМежду 1 и 0 нет разрешенных состояний
nВремя жизни атома А в возбужденном состоянии велико
nуровень – метастабильный
nбольше среднего времени между столкновениями частиц рабочего и вспомогательного газа.
nСистема уровней рабочего газа В - четырехуровневая (в крайнем случае – трехуровневая)
8 |
|
Гелий-неоновый лазер |
|
||||
|
|
|
|||||
|
E |
|
|
|
|
|
Ne+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
21S0 |
|
3S |
(2p55s) |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||
|
Передача |
3,39 мкм |
3P |
||||
|
23S1 |
возбуждения 5 |
2S |
0,63 мкм |
(2p54p) |
||
|
|
2 |
2P |
||||
|
|
|
|
5 |
1,15 мкм |
|
|
|
|
|
|
(2p54s) |
|
(2p53p) |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Электронный |
|
|
|
|
|
|
|
удар |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Радиационный |
|
|
|
|
|
1S |
|
распад |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
5 |
(2p53s) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диффузия |
|
|
|
|
|
|
|
к стенкам |
|
|
|
1S |
0 |
1S |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
(1s2) |
|
(1s22s22p6) |
|
|
|
|
|
He |
|
Ne |
|
|
9
Лазер и интерференционное зеркало
10
Рабочие характеристики He-Ne лазера
n Диаметр трубки D ≈ 3…10 мм
n0,63 или 3,39 мкм: PD ≈ 500 Па мм и PHe/PNe ≈ 5:1
n1,15 мкм: PD ≈ 1500 Па мм и PHe/PNe ≈ 10:1
nvD ≈ 1500 МГц – легко получить одночастотный режим
nПравило Лэмба – выжигание частотной дыры
n нестабильность частоты 10–9 (до 10–13)
n КПД (0,1…0,01 %)