Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
82
Добавлен:
22.08.2013
Размер:
178.69 Кб
Скачать

Химические лазеры

Инверсная населенность достигается за счет энергии, выделяемой в результате прохождения экзотермической химической реакции – энергия идет на возбуждение колебательных или электронных состояний молекулы- продукта реакции

Типы реакций

A+B→AB – реакция синтеза ABC→A+BC – реакция

разложения

A+BC→AB+C – реакция замещения HF-лазер

Инверсная населенность возникает между колебательными уровнями молекулы HF при реакции замещения между атомарным фтором и молекулой водорода, находящимися в газовой фазе:

F+H2→HF+H

Выделяемая теплота - 32 ккал/моль (приблизительно 70 % от нее идет на возбуждение колебательных состояний фторида водорода)

Химические лазеры

Вследствие различий в скоростях термодинамической релаксации разных колебательных состояний в течение определенного периода времени населенность 2-го колебательного уровня приблизительно в 3 раза превышает населенность 1-го уровня - на переходе 2→1 возникает генерация

Второй тип реакции: F2+H→HF+F

Выделяемая теплота - 98 ккал/моль - возбуждаются колебательные уровни вплоть до 10-го

Генерация происходит на нескольких колебательных переходах в диапазоне уровней от 1-го до 6-го в диапазоне от 2.7 мкм до 3.3 мкм

Особенности генерации в спектре наблюдается колебательно-вращательная структура

наличие каскадной генерации

имеется только частичная инверсия между соседними колебательными уровнями

Химические лазеры

Способы получения исходных компонентов

атомарный фтор может быть получен при столкновениях молекулы SF6 (или NF3, UF6) с электроном в электрическом разряде

диссоциация молекул фтора и водорода на атомы в результате облучения УФ излучением

Использование смеси, состоящей только из молекул фтора и водорода, опасно вследствие ее высокой взрывоопасности. Поэтому в исходные газовые смеси обычно добавляется молекулярный кислород

Источники УФ излучения: кварцевые лампы и искровые разряды

Электрический разряд используется, как правило, в импульсных лазерах, а УФ воздействие чаще применяется для обеспечения работы лазера в непрерывном режиме

Величины энергосъема с единицы объема активной среды достигают сотней джоулей с литра при атмосферном давлении газовой смеси

Химические лазеры Другие химические лазеры - DF-, HCl, HBr-DF-лазеры

Область генерации - ближний ИК диапазон в области длин волн 3.5 - 5 мкм

Наибольшая выходная мощность получена в DF-лазере – до нескольких МВт в непрерывном режиме

Иодный лазер

Инверсная населенность в атомарном иоде достигается в реакции фотолиза молекулы CF3I:

CF3I+h →I*+CF3

Источником излучения для этой реакции могут служить кварцевые лампы

Длина волны генерации 1.315 мкм

Лазеры на центрах окраски

Активная среда - ионные диэлектрические кристаллы, прозрачные в видимой области спектра

щелочно-галлоидные кристаллы LiF, KCl, NaCl

Типы

кристалловщелочно-земельные кристаллы (фториды) CaF2, BaF2

корунд Al2O3

Создание дефектов в кристаллах приводит к появлению в запрещенной зоне определенных полос поглощения

F-центр - точечный дефект в том смысле, что нарушения кристаллической структуры, вызванные им, сравнимы с межатомными расстояниями кристаллической структуры

Способы создания F-центров

радиационный - кристалл облучается одним из видов излучения: УФ излучением, рентгеновским или гамма-излучением

аддитивный - кристалл прогревается в парах щелочного металла

электронно-лучевой – облучение кристалла электронами высокой энергии

 

 

 

 

 

Лазеры на центрах окраски

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Энергия

 

F-центр

 

FА-центр

 

_

+

_

+

_

+

_

+

 

_

 

+

_

+

_

+

 

2

_

+

e

+

_

_

 

+

_

+

+

_

+

_

+

+

e

+

 

_

3

_

+

_

+

_

_

 

+

_

+

 

_

+

_

+

_

_

+

_

+

_

 

+

_

+

e

+

+

 

_

+

+

+

 

_

+

e

+

_

_

+

e

_

 

+

_

+

_

+

+

 

_

+

 

_

+

4

_

+

_

+

_

_

+

_

+

_

1

 

F2-центр

F+2-центр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конфигурационная координата

Лазеры на центрах окраски

Образование различных разновидностей F-центров приводит к появлению таких уровней энергии в запрещенной зоне, что обусловленные ими длины волн поглощения попадают в видимую область спектра, в результате чего кристалл получает окраску

При переводе электрона на уровень энергии, обусловленный наличием F-центра, его релаксация происходит излучательно (люминесценция) с длинами волн, больших по сравнению с длиной волны возбуждения и попадающих в ближнюю ИК область

Необходимо учитывать колебания F-центров относительно равновесного состояния, обусловленные воздействием на него полей кристаллической Решетки → зависимость энергии F-центров от некоторой обобщенной конфигурационной координаты, появление колебательной структуры электронных состояний

Количество колебательных состояний велико, а сами колебательные уровни перекрываются между собой, образуя широкие полосы

Лазеры на центрах окраски

Излучение накачки переводит электроны из колебательных состояний, расположенных вблизи дна основного электронного состояния, на колебательные уровни возбужденного электронного состояния, не расположенные вблизи его дна

В результате быстрой безызлучательной релаксации электроны переходят на нижерасположенные колебательные уровни данного электронного состояния

Далее электроны в соответствии с принципом Франка-Кондона излучательно релаксируют на колебательные уровни основного электронного с остояния

Затем происходит быстрая безызлучательная релаксация на нижние колебательные уровни

Выполняются все условия для генерации лазера по четырехуровневой схеме

Лазеры на центрах окраски

Накачка – оптическая лазерная

Излучение источника накачки пропускается через входное окно, имеющее большой коэффициент отражения на длине волны лазера на центре окраски и маленький коэффициент отражения на длине волны лазера накачки

Режимы генерации

импульсный - длительности импульсов в режиме синхронизации мод могут составлять несколько пикосекунд

непрерывный - характерные мощности излучения достигают нескольких ватт

Спектральный диапазон генерации - приблизительно от 0.6 мкм до 4 мкм с возможностью плавной перестройки длины волны излучения

Полупроводниковые лазеры

зона

проводимости

Ec

запрещенная

зона

Eg

Ev

валениная

зона

При низкой температуре все состояния валентной зоны заняты электронами, а в зоне проводимости электронов нет

Если перевести электроны внутрь зоны проводимости, что они очень быстро срелаксируют на самые нижние уровни энергии этой зоны, а состояния вверху валентной зоны окажутся незанятыми

Между нижними состояниями зоны проводимости и верхними состояниями валентной зоны возникнет инверсная населенность

Такую схему накачки на практике реализовать сложно, потому что полупроводник необходимо поддерживать при близких к абсолютному нулю температурах

Соседние файлы в папке Prezentaciya