Методичка КОЭ

найдено как U = E / ( кт кр эн). По известным Рнак и U можно определить рабочий ток инжекционного лазера I.

6.4. Мощность (энергия) накачки лазера

На основании структурных схем трансформации мощности (энергии) накачки в излучение лазеров и с учетом пороговых условий генерации можно записать выражения, которые определяют:

где Рп АС, (Wп АС) – пороговая мощность (энергия) возбуждения АС. Пороговая энергия возбуждения АС определяется минимальной (поро-

говой) долей частиц A, которые необходимо возбудить на верхний лазерный уровень для выполнения условия генерации Wп АС = AnVWвоз, где п – концентрация частиц в АС; V – объем активной среды.

Значения концентрации частиц в АС зависят от типа лазера. Например, для ГРЛ значения n рассчитываются исходя из давления активной газовой

среды (р = nkTАС): Pп АС Wп АС / t2 .

7. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛАЗЕРОВ

7.1. Газоразрядные лазеры

Возбуждение (накачка) активных газовых сред осуществляется несколькими методами, к числу которых можно отнести пропускание электрического тока через газ, оптическую, тепловую, химическую накачки; облучение потоком электронов и др. Наибольшее распространение на практике получил первый метод – возбуждение в газовом промежутке электрического разряда. Лазеры, основанные на данном методе возбуждения активной среды, называются газоразрядными. Характерным для газоразрядных лазеров (ГРЛ) режимом работы является непрерывный режим. ГРЛ – рекордсмены по разнообразию используемых активных сред, а, следовательно, и по спектру генерируемых длин волн. Диапазон генерируемой средней мощности излуче-

91

ния ГРЛ колеблется от десятых долей милливатта у маломощных лазеров до единиц–десятков киловатт у мощных технологических лазеров. Серийные газоразрядные лазеры используют достаточно ограниченный набор активных сред, обладающих относительно высокими усилительными свойствами. К их числу относятся: атомарные гелий-неоновые лазеры, способные работать на нескольких длинах волн (0,63; 1,15 и 3,39 мкм); молекулярные лазеры инфракрасного диапазона на углекислом газе (СО2-лазеры), генерирующие в области 10,6 и 9,4 мкм, и на оксиде углерода (СО-лазеры) с λ = 5,4 мкм; ионные лазеры дугового разряда на аргоне (λ = 0,48...0,51 мкм) и криптоне (λ = 0,65 мкм), а также катафорезные ионные лазеры на парах металлов: гелийкадмиевые с длинами волн генерации 0,44 и 0,32 мкм и гелий-селеновые с основной длиной волны λ = 0,53 мкм. Производятся импульсные ГРЛ на молекулярном азоте (N2-лазеры) с λ = 0,34 мкм, импульсные лазеры на парах меди (Cu-лазеры) с λ = 0,51...0,57 мкм и некоторые другие типы лазеров.

7.1.1. Гелий-неоновые лазеры

Гелий-неоновые (He-Ne) лазеры относятся к классу газоразрядных лазеров на нейтральных атомах – атомарных лазеров. Их активной средой (АС) служит возбужденная газовая смесь, состоящая из рабочего излучающего газа – неона и буферного газа – гелия.

Возбуждение АС лазера происходит по четырехуровневой схеме в слабоионизованной плазме положительного столба (ПС) тлеющего разряда, протекающего между электродами узкой протяженной газоразрядной трубки.

При столкновениях с электронами ПС, имеющими температуру Te порядка

105 К, эффективно заселяются метастабильные уровни возбужденного атома гелия 21s0 и 23s1 (рис. 7.1). В дальнейшем энергия возбуждения атомов гелия путем неупругих столкновений передается атомам неона, после чего частично излучается в виде кванта излучения:

He* + e–(W1) = He* + e–(W2 < W1);

(7.1)

He* + Ne = He + Ne*; Ne* = Ne + hν

где W1, W2 – энергии электронов, соответственно, до и после столкновения с атомом гелия; hν – энергия кванта индуцированного излучения.

Для протекания реакции (7.1) в нужном направлении (слева направо) необходимо обеспечить следующее соотношение парциальных давлений гелия и неона p(He) : p(Ne) = (5:1) ... (15:1). Отклонение от указанного условия

92

приводит к снижению эффективности обменного процесса, а соответственно, и к спаду генерируемой лазером мощности. Реализация процесса передачи энергии по типу реакции (7.1) возможна только в том случае, когда энергия возбуждения метастабильного уровня атома буферного газа равна энергии возбуждения верхнего лазерного уровня рабочего газа или близка к ней. Данное условие выполняется для атомов He и Ne.

Рис. 7.1. Энергетическая диаграмма He-Ne-лазера

Наибольшим усилением обладает ИК-лазерный переход с длиной волны λ = 3390 нм. Для этого перехода ненасыщенный показатель усиления κус может достигать значений 100 %/м и выше. Чаще используется пусть и слабый (с κус = 0,04 … 0,08 %/м), но удобный для практики переход с длиной волны λ = 633 нм.

Необходимая длина волны генерации выбирается с помощью зеркал оптического резонатора, обладающих селективной отражательной способностью. Селективность зеркал достигается изготовлением отражающих покрытий в виде чередующихся λ/4-слоев из двух материалов с различными показателями преломления. Эффективное подавление генерации с λ = 3390 нм происходит при наложении на активную среду неоднородного поперечного магнитного поля. Положительный эффект дает использование выходных окон Брюстера, изготовленных из оптического стекла вместо плавленого кварца.

Для обеспечения генерации лазера требуется создание инверсии населенностей рабочих уровней, когда концентрация возбужденных атомов на

верхнем лазерном уровне (n2) становится больше, чем на нижнем уровне (n1): n = n2 – n1 > 0. Поддержание инверсной населенности в АС достигается за счет эффективного заселения верхнего уровня и быстрого опустошения нижнего. Время жизни верхнего лазерного уровня составляет 1 мкс, а энергия

93

возбуждения превышает 20 эВ (рис. 7.1). Столь высокие энергии возбуждения АС предопределяют использование высоковольтного тлеющего разряда с достаточно высокой Te , но, к сожалению, с низкой плотностью разрядного тока. Энергия кванта излучения с λ = 633 нм составляет всего 5% от энергии, затрачиваемой на процесс возбуждения АС. Итог – низкий КПД АС. Реализуемые в большинстве He-Ne-лазеров значения Te соответствуют значениям наиболее вероятных энергий электронов порядка 8 … 9 эВ. Тогда зона возбуждения АС с энергиями на уровне 20…22 эВ оказывается на «хвосте» распределения электронов по энергиям. В таких условиях электронный КПД – доля энергии электронов, затрачиваемая на возбуждение верхнего лазерного уровня, не превышает единиц процентов.

В He-Ne-лазере девозбуждение нижнего лазерного уровня всех трех переходов происходит через общее метастабильное состояние неона 1s. Переход с 1s-уровня возбужденных атомов в основное состояние неона возможен только при их столкновениях со стенками разрядного капилляра. В результате диаметр d разрядного канала гелий-неонового лазера не превышает, обычно, 1 ... 3 мм, а объем активной среды оказывается весьма малым.

Для гелий-неоновых лазеров оптимальное значение произведения суммарного давления на диаметр разрядного канала (рd)opt лежит в диапазоне 0,44...0,53 Па·м. При этих условиях обеспечивается оптимальная, с точки зрения выхода генерации, электронная температура Te. Уменьшение давления газа приводит к снижению числа излучающих частиц. Одновременный рост Te сопровождается увеличением доли энергии электронов, расходуемой на ионизацию газа. В итоге выходная мощность лазера падает. Рост суммарного давления газовой смеси свыше его оптимального значения снижает Te , уменьшая эффективность возбуждения метастабильных состояний буферного газа – гелия. Одновременно в объеме газа увеличиваются потери энергии электронов, что также ослабляет уровень генерации.

Вероятность возбуждения атомов пропорциональна произведению концентраций возбуждаемых и возбуждающих частиц. Поэтому оптимальное давление газовой смеси зависит (при прочих равных условиях) и от разрядного тока: чем больше ток, тем при меньших давлениях выполняются оптимальные условия генерации.

Разрядный ток I определяет в первом приближении концентрацию электронов – первичных возбуждающих частиц. Рост тока разряда сопровожда-

94

ется повышением концентрации возбужденных частиц. При достижении порогового тока Iпор населенности верхнего и нижнего лазерных уровней вы-

равниваются: n2 = n1 и далее начинается генерация. Возрастание тока на начальном участке при I > Iпор сопровождается повышением уровня генерации лазера. Дальнейшее увеличение тока приводит к активизации процесса заселения нижнего лазерного уровня неона за счет прямых соударений атомов Ne с электронами. Одновременное повышение температуры газа усиливает тепловые процессы и стимулирует рост спонтанного излучения с верхнего лазерного уровня. В результате уменьшается инверсия населенности, и при определенном предельном токе Ilim разряда, происходит срыв генерации. Таким образом, энергетическая характеристика He-Ne-лазера – зависимость мощности P генерации от тока I разряда – имеет вид кривой с максимумом.

Генерация в лазере возникает, если усиление в активной среде компенсирует все виды потерь: паразитные, возникающие из-за поглощения и рассеяния на оптических элементах, и "полезные", обусловленные выходом ра-

где κпор – пороговый показатель усиления, пропорциональный инверсии населенности, м–1; L – протяженность активной среды; κпот – показатель по-

терь, обусловленных распределенным поглощением; ρ1, ρ2 - коэффициенты отражения зеркал оптического резонатора (ρ1 = 1 – α1 – τ1, ρ2 = 1 – α2 – τ2, где

α1, α2 – потери на зеркалах оптического резонатора; τ1, τ2 – коэффициенты пропускания зеркал).

Для гелий-неонового лазера типичны значения коэффициентов потерь

α1 = α2 = 2 … 3% и пропускания τ1 = 0,1 … 0,2%, τ2 = 1,5…3% при значении

κпот = 0. Слабое усиление АС и относительно высокий уровень потерь ограничивают допустимое пропускание рабочих зеркал и заметно уменьшают КПД оптического резонатора. Пороговые условия генерации (7.2) выполняются в лазерах с протяженностью активной среды не менее 100 …150 мм.

Конструктивно He-Ne-лазеры выполняются в виде узких протяженных разрядных трубок, имеющих на концах электродные узлы. В современных He-Ne-лазерах используются коаксиальные конструкции, в которых катод располагается соосно с разрядным капилляром. Материал катода – алюминий, стойкий к ионной бомбардировке в условиях гелий-неонового разряда.

95

На торцах разрядного капилляра расположены выходные окна. Для уменьшения потерь в резонаторе окна располагаются под углом Брюстера ΘБр к

оси капилляра: tg ΘБр = n, где n – показатель преломления материала окна. Излучение лазера, имеющего окна Брюстера, линейно поляризовано.

В силу рассмотренных выше физических особенностей гелий-неоновые лазеры относятся к числу принципиально маломощных. Максимальная мощность излучения не превышает 100 мВт при КПД He-Ne-лазера порядка сотых долей процента.

Контрольные вопросы

1.Какие функции выполняют неон и гелий в активной среде гелийнеонового лазера?

2.Объясните ход энергетической (выходной) характеристики гелийнеонового лазера.

3.В чем причина низкого КПД АС He-Ne-лазера?

4.Назовите основную причину низкого электронного КПД гелийнеонового лазера?

5.В чем причина низкой выходной мощности излучения гелийнеонового лазера?

6.Какими процессами ограничен диаметр разрядной трубки гелийнеонового лазера?

7.Чем определяется требуемый уровень энергии электронов в гелийнеоновом лазере?

8.Как зависит выходная мощность лазера от суммарного давления газовой смеси?

9.Влияет ли плотность разрядного тока на оптимальное давление газовой смеси?

10.Чем определяется оптимальное соотношение парциальных давле-

ний He и Ne?

11.Как зависит выходная мощность лазера от длины разрядного про-

межутка?

12.Как можно определить пороговую длину Lпор АС? Чем определяется

величина Lпор?

13. Как можно определить пороговый ток лазера? От чего зависит пороговый ток Iпор?

14. Почему максимумы зависимостей P = f(I) и η0 = f(I) смещены друг относительно друга?

96

15. Как можно определить пороговый показатель усиления активной среды?

16.Назовите возможные пути уменьшения потерь в оптическом резонаторе He-Ne-лазера.

17.Как обеспечивается генерация лазера на одной из возможных длин

волн?

18.С какой целью выходные окна He-Ne-лазера располагают под углом Брюстера к оси резонатора?

19.Является ли излучение He-Ne-лазера с окнами Брюстера поляризо-

ванным?

20.Чем определяется угол Брюстера?

7.1.2. Молекулярные лазеры на углекислом газе

СО2-лазеры, работающие в непрерывном режиме, обладают рекордны-

ми уровнями мощности излучения при КПД в десятки процентов: в отпаянных лазерах мощность излучения составляет единицы–десятки ватт; в лазерах с прокачкой активной газовой смеси – единицы – десятки киловатт. Эти уникальные свойства обусловили широкое применение СО2-лазеров в про-

мышленности для резки, сварки и размерной обработки материалов, а также в медицине. Прозрачность земной атмосферы для излучения СО2-лазеров со-

здает благоприятные условия для их использования в системах оптической связи, локации, приборах ночного видения.

Активной средой СО2-лазеров является, как правило, тройная смесь га-

зов, включающая углекислый газ, азот и гелий в соотношении 1 : 1 ... 2 : 5 ...

10 при общем давлении порядка 10 ... 20 кПа. Излучающей частицей является линейная симметричная молекула углекислого газа. Азот выполняет роль буферного газа, гелий – вспомогательного. Лазерные уровни образованы нижними колебательными состояниями основного (нулевого) электронного уровня молекулы СО2. Энергия возбуждения верхнего лазерного уровня со-

ставляет примерно 0,3 эВ. Близость лазерных уровней к основному состоянию молекулы обеспечивает высокий КПД активного вещества – отношение энергии кванта излучения к энергии возбуждения верхнего лазерного уровня. Его предельное значение (без учета потерь на спонтанные и безызлучательные переходы с верхнего лазерного уровня) достигает 41%. Лазерный переход молекулы СО2 может обеспечивать генерацию на нескольких десятках

97

длин волн в области 10,6 мкм, возникающих при переходах между различными вращательными подуровнями верхнего и нижнего колебательных состояний. Конкуренция переходов, обладающих различным усилением, подавляет слабые составляющие, и в спектре излучения СО2-лазера присут-

ствует обычно одна линия, соответствующая наиболее интенсивному переходу.

Особенностью молекул СО2 является быстрая вращательная релакса-

ция – перераспределение частиц по вращательным подуровням данного ко-

лебательного уровня с постоянной времени порядка 10– 6 с. Благодаря высокой скорости вращательной релаксации обеспечивается эффективная "подпитка" верхнего лазерного уровня, обедняющегося при генерации, и рассасывание избыточной населенности нижнего. Этот эффект способствует росту инверсии населенностей и, как следствие, мощности излучения СО2-лазеров.

Возбуждение молекулы СО2 в положительном столбе слаботочного

тлеющего разряда может происходить за счет прямого электронного удара. Обеспечиваемый при этом показатель усиления κус (линейный коэффициент усиления) составляет 10 ... 20% на метр длины активной среды. Увеличение эффективности возбуждения молекул СО2 достигается при введении буфер-

ного газа – азота, который имеет несколько колебательных уровней возбуждения, легко заселяемых при столкновениях с электронами. Первые 6 – 8 уровней возбуждения N2 практически эквидистантны. Они следуют друг за другом через примерно равные интервалы энергии, близкие к 0,3 эВ, т. е. совпадающие с энергией верхнего лазерного уровня молекулы СО2. При та-

ких условиях в процессе столкновений частиц возможна каскадная резонансная передача энергии от возбужденных молекул N2 невозбужденным моле-

кулам СО2, когда один атом N2, возбужденный, например на пятый уровень,

способен в ходе последовательных столкновений перевести на верхний лазерный уровень пять молекул СО2. Введение в активную среду азота повы-

шает инверсную населенность лазерных уровней в несколько раз.

Близкое расположение лазерных уровней к основному состоянию молекулы СО2 приводит к сильной зависимости инверсии населенностей от

температуры газа, что обусловлено больцмановским заселением нижнего лазерного уровня. При температурах газа порядка 400 К (kT = 0,035 эВ) уже

98

наступает срыв инверсии. Это вынуждает использовать принудительное водяное охлаждение стеклянных стенок разрядного канала. Для обеспечения эффективного переноса тепла от разряда к стенкам в активную смесь дополнительно вводят гелий – легкий, подвижный газ с высокой теплопроводно-

стью. Благодаря этому в тройной газовой смеси СО2-N2-He показатель уси-

ления может повышаться до 100 ... 200% на метр длины. Прокачка газовой смеси, используемая в мощных СО2-лазерах, повышает усиление до 500% на

метр длины. Оптимизация суммарного давления газовой смеси подбором парциального давления гелия способствует, кроме того, установлению в по-

ложительном столбе электронной температуры на уровне (1,5 … 2)∙104 К, которая обеспечивает практическое совпадение максимума функции распределения электронов по энергиям в положительном столбе разряда с максимумами сечений возбуждения рабочих уровней молекул СО2 и азота, приходя-

щихся на энергии 1 ... 3 эВ. В итоге 50 ... 80% энергии электронов передается верхнему лазерному уровню молекулы СО2.

Активный элемент отпаянного СО2-лазера конструктивно представляет

собой стеклянную или кварцевую разрядную трубку диаметром от долей до 2 ... 3 см и длиной от десятых долей до нескольких метров. Трубка окружена рубашкой водяного охлаждения, вокруг которой коаксиально располагается балластный объем, соединенный с разрядным каналом. Балластный объем увеличивает общий запас газа, снижая тем самым степень влияния диссоциации молекул СО2 в разряде на стабильность состава активной среды. Этой же

цели служат катализаторы восстановительной реакции 2СО + О2 = 2 СО2,

например таблетки закиси меди, располагаемые в катодной области. Выходные окна и подложки зеркал изготавливаются из материалов, прозрачных для инфракрасного излучения: германия, арсенида галлия, селенида цинка. Необходимый коэффициент отражения рабочего зеркала обеспечивается нанесением на подложку диэлектрических четвертьволновых слоев с чередующимися большим и малым показателями преломления. Нерабочее, “глухое” зеркало изготавливается в виде алюминиевого или медного покрытия, нанесенного на металлическую или кварцевую подложки. Обычно “глухое” зеркало закрепляется на разрядной трубке неподвижно. Серьезными проблемами в мощных СО2-лазерах являются быстрая деградация и разрушение отражаю-

щих покрытий и выходных окон под воздействием собственного излучения.

99

Основная характеристика активной среды – линейный коэффициент усиления κус пропорционален инверсии населенностей, равной разности населенностей верхнего N2 и нижнего N1 рабочих уровней: N = N2 – N1 > 0. В газовых активных средах инверсия может быть обеспечена пропусканием электрического тока через разрядный промежуток. Инверсия населенностей

N, а соответственно, и коэффициент усиления κус, являются нелинейными функциями мощности накачки, подводимой к активной среде. При увеличении тока разряда выше порогового возрастает эффективность возбуждения активной среды за счет роста числа возбуждающих частиц – электронов и инверсия растет. Одновременно повышается температура газовой смеси, снижающая инверсию. Действие встречных тенденций приводит к существованию оптимального тока разряда.

Влияние состава газовой среды на усилительные свойства рассматривалось ранее. Рост давления газа, первоначально сопровождающийся увеличением числа возбужденных частиц, в дальнейшем уменьшает усиление вследствие спада электронной температуры и увеличения доли спонтанного излучения. В активной среде СО2-лазеров зависимость κус от диаметра труб-

ки слабая, так как отсутствует механизм влияния столкновений частиц со стенками на расселение нижнего лазерного уровня, как это имеет место, например в гелий-неоновом лазере. Однако рост диаметра разрядного канала ухудшает отвод тепла из приосевой области разряда к охлаждаемым стенкам.

При отсутствии входного сигнала, создаваемого потоком квантов, в активной среде оптического усилителя поддерживается определенная инверсия

N0, соответствующая данному уровню возбуждения. Показатель усиления,

определяемый N0, носит название ненасыщенного и обозначается κ0 . В этих условиях уход частиц с верхнего лазерного уровня происходит лишь за счет спонтанного излучения. При появлении входного оптического сигнала в виде направленного потока квантов с энергией hν = W2 – W1, где W2, W1 – энергии верхнего и нижнего лазерных уровней, в активной среде возникает дополнительный поток квантов, обусловленный индуцированным излучением. При этом населенность верхнего уровня снижается, а нижнего – повышается, т. е. инверсия падает, и показатель усиления активной среды уменьшается. Этот процесс называют насыщением усиления. Чем выше плотность суммарного потока квантов в активной среде, тем значительнее насыщение. Для случая

100