
Химические лазеры
Лазеры, в которых инверсия населенностей создается во время экзотермических (выделение тепла) химических реакций, приводящих к преобразованию химической энергии в энергию электромагнитного излучения.
Различают три вида химических реакций, на основе которых созданы химические лазеры:
фотодиссоциация или распад молекулы под действием света;
диссоциация молекулы при электрическом разряде в газе;
взаимодействие молекул, атомов, соединений.
Рассмотрим химический лазер с использованием реакции фторирования водорода.
Молекулярный азот N2 нагревают в камере до Т = 2000 К и одновременно в реактивную камеру вводят гексафторид серы (SF6). В процессе смешения с горячим азотом происходит диссоциация с образованием атомов фтора. Смесь продувается через сопла со сверхзвуковой скоростью, одновременно вводится H2 . В результате взаимодействия H2 и F2 образуются колебательно-возбужденные молекулы HF, которые проникают через оптический резонатор из параллельных зеркал. В оптическом резонаторе возбуждается когерентное излучение на λ=2,6…3,6 мкм. Мощность излучения десятки кВт, КПД – 10%.
Имеются химические лазеры работающие в видимом и УФ – диапазонах.
Лазеры на парах металлов
Лазеры, активной средой которых являются пары металлов.
В настоящее время генерация газовых лазеров осуществляется на переходах атомов атомарных ионов более 50 элементов, причем половина из них металлы.
1 – нагреватель;
2 – резонаторная труба;
3 – электроды;
4 – зеркала оптического резонатора.
Разрядная трубка помещается в трубчатую печь. Для поддержания разряда в ненагреваемых частях трубки используется буферный инертный газ (гелий). Вместо термического нагрева иногда используют явление катафорда или движение дисперсионных частиц под действием электрического поля. Это явление объясняется существованием на границе двойного электрического слоя.
Одной из перспективных конструкций является лазер на парах меди, где возникает уникально высокий коэффициент усиления. Поэтому лазер на парах меди может работать в режиме сверхсветимости, т.е. без оптического резонатора.
Такая возможность позволяет использовать лазер на парах меди в качестве когерентных усилителей света, способных за один переход активной среды, на несколько порядков усилить яркость световых пучков, формирующих изображение или какую-либо другую оптическую информацию. Этот лазер генерирует в зеленом диапазоне света λ=0,578 мкм. Накачка лазера осуществляется газовым разрядом, оптическим путем, процессом перезарядки, в процессе рекомбинации Cu2+.
Лазеры на свободных электронах
Представляют собой генератор когерентных электромагнитных колебаний оптического диапазона волн, принцип действия которых основан на взаимодействии пучка свободных электронов с пространственно-периодическим электрическим или магнитным полями.
Эти лазеры близки к приборам СВЧ электроники, принцип действия которых основан на эффектах квантовой и вакуумной электроники.
Пучок релятивистских электронов создается ускорителем заряженных частиц и направляется в ондулятор , представляющий собой устройство у котором создаются электромагнитные поля, действующие на движущуюся в нем заряженную частицу с периодической силой, так что среднее за период значение силы равно нулю.
В
общем случае
….волн ондуляторного
излучения, представляют собой гармоники.
Кратные основной частоте. Частоты ωn
n-ой
гармоники определяются в соответствии
с эффектом Доплера ωn
=
,
где
- частота колебаний в ондуляторе;
-угол
расхождения пучка;
-коэффициент
потерь ондулятора;
При
→0
частоты ондуляторного излучения
максимальны. Длинна волны первичного
излучения в направлении движения
электронов: λ=
,
где
-отношение
кинетической энергии электронов к их
энергии покоя.
Возникающее излучение, из-за явления самоспсив. Процесса группирования электронов под действием резонансной первичной волны, имеет λ= 10,8; 3,4; 0,65 мкм. Средняя мощность излучения порядка 5 Вт, КПД – 1%. КПД может быть увеличен до 40% при условии возврата электронов в резонатор.