Реферат КОЭ лазеры на парах металлов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

Реферат

к докладу по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника»

Тема: ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ НЕПРЕРЫВНОГО РЕЖИМА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Студент гр.
Преподаватель		Киселев А.С.

Санкт-Петербург

202X

Введение

В реферате будут рассмотрены лазеры на парах металлов, принцип их действия, области применения. Данные лазеры используются в непрерывном (гелий-кадмиевые, гелий-ртутные, гелий-селеновые, гелий-серебряные) и импульсном (лазеры на парах меди и золота) режимах.

Принцип работы и устройство лазера на примере He-Cd

В лазерах на парах металлов в качестве активной среды используются пары металлов в инертном газе, где возникает тлеющий разряд. Металл содержится в емкостях внутри лазерной трубки и испаряется с помощью нагрева, после чего диффундирует по трубке^[1].

Рассмотрим принцип работы на примере гелий-кадмиевого лазера^[2].

Активная среда этого лазера – смесь гелия (буферный газ) и кадмия. Они возбуждаются электрическим разрядом в парах металлов.

С помощью атомов гелия через ионизацию Пеннинга производится накачка верхних лазерных уровней (²D_3/2 и ²D_5/2) в Cd⁺ (рис. 1):

A^∗ + B = A + B⁺ + e.

Эффект Пеннинга заключается в том, что происходит снижение потенциала зажигания электрического разряда в газе, благодаря примеси другого газа, потенциал ионизации которого ниже энергии возбуждения метастабильного уровня основного газа^[3].

Ион B⁺ может оказаться как возбужденным или невозбужденным. Процесс протекает только если энергия A^∗ больше или равна энергии ионизации B (энергии возбуждения B⁺, если ион переводится в возбужденное состояние).

Ионизация Пеннинга является нерезонансным процессом. Избыточная энергия может перейти в кинетическую энергию испущенного электрона. В качестве частицы A^∗ выступает He в метастабильных состояниях 2¹S и 2³S. Энергия возбуждения передается при столкновении атому Cd для возбуждения иона Cd⁺.

Время жизни состояний D (∼0,1 мкс) много больше времени жизни состояний P (∼1 нс). Поэтому можно достичь инверсии населенностей между состояниями D и P и получить лазерную генерацию:

²D_3/2 → ²P_1/2 (λ = 325 нм, УФ);

²D_5/2 → ²P_3/2 (λ = 416 нм, синий переход).

Затем в ходе релаксации ионы переходят в основное состояние ²S_1/2.

Рис. 1. Схема уровней в гелий-кадмиевом лазере

Диапазон длин волн гелий-кадмиевого лазера составляет от 441,56 до 325 нм.

He-Cd лазеры применяются в полиграфии, УФ детекторах валюты, научных исследованиях.

Пример конструкции He-Cd лазера на парах металла, справедливый и для других лазеров этого типа, приведем из патента^[4].

Рис. 2. Конструкция лазера на парах металла

Следуя описанию изобретения, составим краткую легенду к рис. 2:

1 – оболочка;

2 – разрядный канал (капилляр из стекла);

3 – холодный катод 3 в виде полого цилиндра;

4 – резервуар с испаряемым металлом кадмием;

5 – конденсор – ловушка из стекла цилиндрического типа, в которую входит конец капилляра;

6 – нагревательный элемент – проволочная катушка из нихрома;

7 – анод;

8 – герметизирующие металлические фланцы;

9 – юстировочные втулки;

10 – зеркала резонатора;

11 – технологический зазор;

12 – цилиндр;

13 – зазор, наполненный гелием при низком давлении;

14 – технологический зазор.

Лазер работает следующим образом. Между катодом 3 и анодом 7 возбуждается тлеющий электрический разряд. Металл в резервуаре 4 нагревают с помощью нагревателя 6 до температуры, соответствующей оптимальной концентрации паров кадмия в электрическом разряде.

В плазме положительного столба разряда металл ионизируется. Ионы металла движутся к катоду 3 и равномерно распределяются вдоль капилляра разрядного канала 2. Металл осаждается в конденсоре 5.

Лазерное излучение усиливается, проходя вдоль разрядного канала 2, и отражается от зеркал 10, съюстированных путем пластической деформации юстировочных втулок 9.

Характеристики и применение He-Hg, He-Se, He-Ag лазеров

Другие длины волн получаются с оптических переходов в гелий-ртутных, гелий-селеновых и гелий-серебряных лазерах.

He-Hg лазеры испускают 567 и 615 нм. Лазеры нашли применение в археологии (рис. 3), научных исследованиях, учебных целях.

Гелий-ртутные лазеры, в отличие от He-Cd, не генерируют синий цвет. Они являются практически аналогом гелий-неоновых лазеров по оптической мощности (порядка 100 мВт), стабильности частоты и КПД^[5].

Рис. 3. Лазерное сканирование местности в археологии

He-Se лазеры имеют аналогичное применение и испускают до 24 спектральных полос от красного до УФ^[6]. Используются в археологии, научных исследованиях и как учебные.

He-Ag лазеры (рис. 4) имеют очень существенную особенность – они излучают на 224,5 нм, то есть в глубоком УФ. Это позволяет применять их в спектроскопии комбинационного рассеяния света^{[7, 8]}.

Рис. 4. Глубокий УФ-лазер на парах серебра

Характеристики и применение лазеров на парах Cu и Au

В лазеры на парах меди и золота для обеспечения эффекта Пеннинга вводится неон. Для того, чтобы металлы находились в состоянии пара, температуру поддерживают выше 1500 °С^[9].

Лазеры на парах меди являются наиболее эффективными лазерными источниками в зеленой области спектра (510,6 и 578,2 нм). Их большой КПД (1%) связан с высокой квантовой эффективностью (55%)^[10]. Лазеры употребляются в дерматологии, скоростной фотографии и для накачки лазеров на красителях.

627 нм излучают лазеры на парах золота. Области их применения – археология и медицина.

Конструкция лазеров представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схематическое представление конструкции лазера на парах меди или золота

Тиратрон служит для обеспечения импульсного режима работы лазера.

Сводная таблица характеристик лазеров на парах металлов

На основе рассмотренных данных составим таблицу 1 с информацией об активных средах лазеров на парах металлов, длинах волн испускаемого излучения и областях применения.

Таблица 1. Сведения о лазерах на парах металлов

Активная среда	Длины волн	Применение
Cd, He	440 нм, 325 нм	Полиграфия, УФ детекторы валюты, научные исследования.
Ag, He	567 нм, 615 нм	Археология, научные исследования, учебные лазеры.
Cd, Se	От красного до УФ	Археология, научные исследования, учебные лазеры
Ag, He	224,5 нм	Cпектроскопия комбинационного рассеяния света
Cu, Ne	510,6 нм, 578,2 нм	Дерматология, скоростная фотография, накачка лазеров на красителях
Au, Ne	627 нм	Археология, медицина

Линии некоторых лазеров на парах металлов выделены рамками на диаграмме на рис. 6.

Рис. 6. Длины волн лазерного излучения

Источники

[1] Губарев Ф.А. Лекция № 5. Физические основы лазерных технологий. 2017 // Корпоративный портал. Томский политехнический университет URL: https://portal.tpu.ru/SHARED/g/GFADDTPU/Ucheba/Tab2/Tab1/Лекция%205.pdf (дата обращения 20.05.202X).

[2] Пирчхадзе С.З. Вынужденное излучение. Лазеры. Мазеры // Ядерная физика в интернете. Проект кафедры общей ядерной физики физического факультета МГУ и отдела электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/photon/14.pdf (дата обращения 20.05.202X).

[3] Пе́ннинга эффе́кт // Большая российская энциклопедия 2004–2017. URL: https://old.bigenc.ru/physics/text/2710505 (дата обращения 20.05.202X).

[4] Баринова А.А. Лазер на парах металла. Патент RU 2 145 140 C1. 1999 / Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2145140C1_20000127 (дата обращения 20.05.202X).

[5] Гелий-ртутный лазер // LASERS.ORG.RU. URL: http://lasers.org.ru/forum/threads/гелий-ртутный-лазер.987/ (дата обращения 20.05.202X).

[6] Газовые лазеры. Журнал "Главный механик" № 2, 2008 // СтанкоАрена. URL: https://stanko-arena.ru/article/vidy-lazerov.html (дата обращения 20.05.202X).

[7] Helium-Silver Lasers – Properties and Applications // AZO Optics. URL: https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=489 (дата обращения 20.05.202X).

[8] Лазер на парах серебра с буферным газом гелием (HeAg) // Центр технического сопровождения "НАУКА". URL: https://scientific-technology.ru/laserslink/metallaser/heaglaser (дата обращения 20.05.202X).

[9] Лазер на парах меди // Википедия — свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазер_на_парах_меди (дата обращения 20.05.202X).

[10] Квантовая эффективность лазеров // Энциклопедия по машиностроению XXL. URL: https://mash-xxl.info/info/144243/ (дата обращения 20.05.202X).