ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-7

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 7:

Газы Другие среды

Газовые активные среды

Газовый лазер - лазер с активной средой в виде газов, паров или их смесей. Как и всякий лазер, газовый лазер содержит активную среду, обладающую усилением на одной или нескольких линиях в оптическом диапазоне спектра.

Особенности газового лазера определяются свойствами активной среды, плотность которой меняется в широких пределах (давление от 10-3 мм рт. ст. до десятков атмосфер), однако она значительно меньше, чем в конденсированных средах. По этой причине газовая активная среда в большинстве случаев прозрачна в широкой области спектра и обладает узкими линиями поглощения и излучения. Газовые лазеры могут генерировать узкие линии излучения, лежащие в широкой области спектра, в т. ч. и в далекой коротковолновой (где нет прозрачных конденсированных сред). Газовые лазеры позволяют получать предельно узкие и стабильные линии генерации. Малая плотность активной среды определяет малость температурных изменений показателя преломления. Это позволяет сравнительно легко получать с газовым лазером предельно малую (дифракционную) расходимость излучения. Многообразие физических процессов, приводящих к образованию инверсии населенностей, создает большое разнообразие типов, характеристик и режимов работы газового лазера. Возможность быстрой прокачки газовой активной среды через оптический резонатор позволила в газовом лазере достичь рекордно больших средних мощностей излучения.

По типу переходов, на которых возбуждается генерация газового лазера, различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на

электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры. По

механизмам образования инверсии населенностей выделяют газовые лазеры с возбуждением электронным ударом, с передачей возбуждения от частиц вспомогательных газов, рекомбинационные газовые лазеры, газовые лазеры с прямым оптическим возбуждением, фотодиссоциационные газовые лазеры и др. В ряде случаев реализуются комбинированное возбуждение и сложные механизмы инверсии. С газового лазера получена генерация на более чем 6000 отдельных линиях в очень широкой области спектра

от вакуумного УФ до субмиллиметровых волн. Газовому лазеру посвящается примерно

половина научных публикаций по лазерам. Конструктивные особенности, мощность генерации, кпд и др. характеристики газового лазера меняются в очень широких пределах.

Газвые смеси нейтральных атомов (1)

Гелий неоновый лазер.

смесью гелия и неона в соотношении от 5:1 до 10:1 с общим давлением порядка 102 Па, при котором легко возбудить пост. электрический разряд.

Рабочим лазерным веществом

является неон. Гелий используется для избирательного заселения верхнего рабочего уровня неона. Атомы гелия возбуждаются при столкновениях с разогнанными в электрическом поле

разряда электронами. Передача энергии от возбуждѐнных атомов гелия к атомам неона осуществляется при резонансных столкновениях между ними. Упрощѐнная

схема энергетических уровней атомов гелия и неона изображена на рис.

Для поддержания инверсной населѐнности при He Ne

работе непрерывного лазера необходимо не только заселение верхнего лазерного уровня, но и быстрое опустошение нижнего. В гелий-неоновом лазере это происходит при соударении атомов неона, находящихся на нижнем лазерном уровне, со стенками лазерной трубки, при этом атомы передают энергию стенкам и сбрасываются ещѐ ниже, в основное состояние. Поэтому в современных лазерах трубки делаются с маленьким внутренним диаметром порядка 1—2 мм при длине 20—60 см. Дальнейшее уменьшение диаметра нецелесообразно из-за возрастания дифракционных потерь. Недостаточно быстрое опустошение нижнего лазерного уровня в гелий-неоновых лазерах ограничивает и предельный коэффициент усиления,

достигаемый при некотором оптимальном разрядном токе.

Газвые смеси нейтральных атомов (2)

Лазеры на парах металлов

излучения релаксации по каналу 2p—> 2s не происходит. Таким образом, единственный эффективный канал релаксации проходит через состояние 2D. Релаксация населѐнности уровня 2d осуществляется посредством дезактивации на стенках, если внутренний диаметр

трубки невелик (<2см). Для трубок больших размеров было показано, что важную роль играет сверхупругое столкновение е + Cu(2d)—>e + Cu(2s). В обоих случаях соответствующее время релаксации очень большое (несколько десятков микросекунд).

Отсюда следует, что генерация на парах меди может осуществляться как на переходе 2p3/2—>

2d5/2 (зелѐный), так и на 2p1/2—> 2d3/2 (жѐлтый). Генерация в парах золота происходит в основном на красном переходе (2p1/2—> 2d3/2 ) поскольку УФпереход (2p3/2—> 2d5/2) оканчивается

на состоянии 2d5/2, которое при рабочей температуре в значительной степени заселено.

Лазеры на парах меди работают со средней выходной мощностью до 40 Вт в импульсно периодическом режиме с длительностью импульса порядка 20 нс и с частотой повторения

импульсов до 20 кГц. На сегодняшний день они являются самыми эффективными (КПД ~ 1%)

лазерными источниками в зелѐной области спектра. Этот относительно большой КПД связан с высокой квантовой эффективностью медного лазера ~ 55%, так и с большим сечением перехода 2p—> 2s1/2 при электронном ударе.

Смеси ионов (1)

Аргоновый лазер Основное состояние иона аргона получают удалением

одного из шести 3р-электронов внешней оболочки атома. Возбужденные состояния 4s и 4p возникают, когда один из оствшихся 3р5-электронов забрасывается на эти

уровни, состящие на самом деле из подуровней из-за

взаимодействия с остальными 3р4-электронами. Возбуждение верхнего лазерного 4р-уровня происходит в 2 стадии: сначала аргон ионизируется, а второе столкновение приводит его возбужденное состояние. Ионы аргона могут оказаться на верхнем лазерном уровне в результате трех процессов:

а) непосредственно из основного состояния, б) каскадных переходов с верхних уровней и

в) с метастабильных уровней после столкновений с третьим электроном. Т.о. накачка пропорциональна плотности разрядного тока.

Т.к. на самом деле оба уровня 4s и 4p состоят из многих подуровней, аргоновый лазер может генерировать излучение на многих линиях, наиболее интенсивными из которых являются зеленая (λ = 514.5 нм) и синяя (λ = 488 нм). Температура ионов Ти ≈ 3000К. Это происходит благодаря их сильному ускорению в электрическом поле разряда. Поэтому активная среда помещается в керамические трубки с водяным или воздушным охлаждением. Квантовый КПД, как и общая Эффективность аргоновых лазеров невысока.

Смеси ионов (2)

He-Cd лазер

Принцип работы He-Cd лазера имеет много общего с

He-Ne-лазером. Донором в нем является не нейтральный

атом гелия а его ион He+, который передает возбуждение излучающему атому Cd в процессе перезарядки:

Cd + He+ → Cd+* + He

Возбуждение атому Cd может передаваться также от находящегося в метастабильном возбужденном состоянии атома Не*, в результате чего образуется Возбужденный ион Cd+* (реакция Пеннинга):

Cd + He* → Cd+* + He + е

Наибольший интерес представляет последний процесс, поскольку он лежит в основе получения непрерывной генерации с длиной волны λ = 441.6 нм в фиолетовой области спектра.

Конструкция лазера включает трубку, заполненную

гелием, рядом с которой находится небольшой резервуар резервуар нагревается до температуры (~250°С) для того, чтобы создать в трубке

необходимое давление паров Cd. Когда пары достигают области разряда, часть атомов ионизуется и движется в направлении катода. В самом разряде выделяется достаточно много тепла, чтобы предотвратить осаждение паров на стеклах. Однако в катодной области, где температура ниже, пары конденсируются и происходит непрерывный отток Cd к катоду (катофорез). Поэтому, чтобы обеспечить длительную работоспособность лазера, его нужно обеспечить запасом Cd (1г на 1000 часов работы)

На основе смесей He-Cd, He-Se, He-Zn созданы лазеры видимого и ультрафиолетового диапазона.

Молекулярные смеси (1)

Лазеры на углекислом газе С02 лазер наиболее важный представитель класса молекулярных лазеров. Характерной особенностью таких лазеров является то, что для создания инверсии населенности используются переходы между колебательными, а также вращательными уровнями. Молекула СО2 линейна. Она состоит из трѐх атомов и поэтому ей присущи три нормальных типа колебаний, которые схематически изображены на рис.

Возможные колебания в

молекуле С02: а) – состояние равновесия; б) - симметричное

антисимметричное колебание. В первом приближении нормальные типы колебаний независимы, так что колебательное состояние молекулы СО2 можно описать набором целых чисел (v1, v2, v3), которые соответствуют степеням возбуждения нормальных типов колебаний. В лазере газ СО2 используется в смеси с азотом. При возникновении газового разряда

происходит эффективное столкновение молекул С02 и N2 . Между этими молекулами

происходит эффективный обмен энергией, поскольку в молекуле N2 колебательный уровень, соответствующий v=1, с точностью до kT совпадает с верхним рабочим лазерным уровнем молекулы С02. Колебательные состояния молекулы N2 (v = 1) возбуждаются в разряде

электронным ударом, затем при соударении N2 с CO2 происходит передача возбуждения от молекулы N2 к CO2. Таким способом происходит заселение верхнего лазерного уровня.

Молекулярные смеси (2)

Обеднение нижних лазерных уровней происходит за счет столкновений с молекулами буферного газа, добавляемого к смеси CO2:N2. В качестве такого газа, эффективно обедняющего нижние лазерные уровни , используется гелий (Не). Молекулярные состояния, переходы между которыми обеспечивают работу СO2 - лазера, характеризуются не только колебательным квантовым числом v, но также вращательным квантовым числом. На самом деле, как верхний, так и нижний лазерные уровни состоят из многих близко расположенных вращательных подуровней Соответственно лазерные переходы могут

Происходить между разными подуровнями, принадлежащими P- и R-ветвям, причем Р –ветвь проявляет наибольшее усиление. Из-за того что скорость безизлучательного обмена (термолизации) между вращательными уровнями (10-7 с) много больше скорости уменьшения населенности за счет спонтанного и вынужденного излучения, в генерации лазера на вращательном переходе с максимальным усилением будет принимать участие полная населенность всех вращательных подуровней. Квантовый КПД СО2-лазера ~ 41%.

В маломощных лазерах тепловой режим работы удается обеспечить за счет теплопроводности через стенки разрядной трубки. Повышение мощности возможно только при принудительном

охлаждении активной среды прокачкой ее через холодильник. Максимальные непрерывные мощности лазера (до 1МВт) были достигнуты в СО2-газодинамических лазерах открытого цикла, где активная среда получается в камере сгорания и после использования выбрасывается из лазера. В этом случае роль буферного газа может эффективно играть Н2О.

Молекулярные смеси (3)

СО-лазер

Молекула СО (также как и N2) обладает необычно большим сечением возбуждения колебательных уровней в разряде (до 90% электронов разряда могут отдать свою энергию СО) Однако работать такой лазер может только при низких температурах (77-100К). При этом скорость VV-релаксации

в СО существенно выше, чем для VT-релаксации. Здесь большую роль играет «ангармоническая накачка»,

позволяющая получить «частичную инверсию» (см.рис.) Хотя полные населенности двух колебательных состояний одинаковы, инверсия существует для двух переходов Р-ветви и двух переходов R-ветви.

Генерация в этом случае вызовет уменьшение населенности вращательного уровня верхнего состояния и и увеличение населенности вращательного уровня нижнего колебательного состояния, который в процессе генерации может накопить достаточную населенность, чтобы образовалась инверсия по отношению к вращательному уровню более низкого колебательного состояния. В то же время населенность

вращательного уровня верхнего состояния может значительно уменьшиться, вследствие чего возникнет инверсия между этим уровнем и вращательным

уровнем более высокого колебательного состояния. Такой процесс «каскадного» взаимодействия приводит к тому, что большая часть колебательной энергии переходит в излучение, не являющееся строго монохроматичным из-за разницы в энергиях переходов. Вместе с высокой эффективностью возбуждения это объясняет высокий КПД СО-лазера.

Молекулярные смеси (4)

Эксимерные лазеры В невозбужденном состоянии инертные газы могут существовать только

в мономерной (одноатомной) форме, однако кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум. Это означает, что частицы могут существовать в димерной форме. Такие молекулы называются эксимерами (exited dimer). Их время жизни в возбужденном состянии составляет 10-7…10-9 с. Как только в результате генерации молекула переходит в основное состояние, он немедленно диссоциирует за время 10-14…10-15 с. Это означает, что нижний уровень всегда будет пустым.

Наиболее интересными оказались лазеры, в которых атом инертного газа

Последний процесс проходит с с участием буферного газа

(Не). Давление в газовой смеси как правило выше

атмосферного, поэтому лазеры могут работать только в импульсном режиме.