tipy_lazerov_i_rezhimy

Газовые лазеры.

Это лазеры, активная среда которых находится в газообразном состоянии. Это могут быть собственно газы, либо пары жидких или твёрдых веществ.

Основные особенности:

-высокая однородность активной среды;

-высокая степень монохроматичности и когерентности излучения как следствие меньшего взаимовлияния частиц.

Из-за линейчатых спектров (узких полос поглощения) оптическая накачка используется редко.

Наибольшее распространение получила накачка с помощью электрического разряда (как самостоятельного, так и не самостоятельного), а также используется химическая накачка и тепловая (газодинамическая).

Конструкция активной среды представляет собой кювету (например, трубку), в которой имеется газовая среда, а окна кюветы часто наклонены под углом Брюстера к оси кюветы для уменьшения френелевских потерь на окнах (см. рис.)

1- кювета, заполненная газом.

2- Окна Брюстера (установлены под углом Брюстера i Бр). i Бр = arctg n, где n - относительный показатель преломления материала окон.

При этом излучение, поляризованное в плоскости падения, не будет испытывать френелевское отражение на окнах, и именно на этой поляризации будет генерироваться излучение, то есть излучение при этом будет линейно поляризовано.

Газовые лазеры подразделяются на:

-атомарные (используются нейтральные атомы);

-молекулярные (используются нейтральные молекулы);

-ионные (используются ионы).

Взависимости от вида накачки газовые лазеры подразделяются на: Газоэлектроразрядные (самостоятельный электрический разряд) Электроионизационные (несамостоятельный электрический разряд) Газодинамические (тепловая накачка)

Химические (химическая накачка)

Механизмы создания инверсии в газоразрядных лазерах.

Газовым разрядом называется совокупность процессов, связанных с прохождением электрического тока через газообразную среду.

При возникновении разряда образуется газоразрядная плазма (особая среда), для которой характерна значительная концентрация заряженных и возбуждённых частиц.

В газовых лазерах используется тлеющий разряд и дуговой. Используется накачка с помощью постоянного тока, как непрерывного, так и импульсного, а также высокочастотное возбуждение.

К возбуждению частиц и образованию инверсии приводят следующие процессы:

- прямое электронное возбуждение (неупругие соударения электронов с частицами)

e + A → e + A*

- ступенчатое электронное возбуждение

e + A* → e + A**

Кроме этих процессов в случае использования вспомогательных (примесных) газов указанные процессы могут дополняться возбуждением основного газа за счёт соударений и резонансного обмена энергией между частицами вспомогательного и основного газов:

e + B = e + B* B* + A = B = A*,

где А – частицы основного газа.

В – частицы вспомогательного газа (примесного газа).

Этот механизм значительно увеличивает эффективность создания инверсии в газоразрядных лазерах.

Кроме того, примесные газы используются для более эффективного охлаждения, разгрузки нижних лазерных уровней (например, Не в лазере СО2).

Газовые лазеры используют как продольный, так и поперечный электрический разряд.

Лазеры с повышенным давлением (до атмосферного и большего) используют поперечный электрический разряд, а низкого давления (единицы, десятки тор) – продольный разряд.

Для охлаждения рабочей смеси газовые лазеры используют как продольный, так и поперечный продув газа, причём поперечный продув является более эффективным, так как смена смеси происходит быстрее, чем при продуве вдоль кюветы (см. рис.), так как h<<l.

Газовые лазеры повышенного давления, используют поперечный электрический разряд и поперечный продув и обозначаются как ТЕА лазеры.

Для обеспечения равномерного электрического разряда во всём объёме рабочей смеси ТЕА лазеров используется система предионизации, создающая в рабочем объёме газа достаточное количество заряженных частиц (электронов и ионов) перед моментом подачи основного напряжения между электродами.

Для предионизации ТЕА лазеров используются электронные пушки, УФ излучения, скользящий разряд.

Чем больше давление газа, тем больше концентрация активных частиц в единице объёма и, соответственно, может быть больше удельный энергосъём.

Влазерах низкого давления уширение линии излучения определяется, в основном, эффектом Доплера и носит неоднородный характер, а при значительных давлениях превалируют столкновительные процессы, определяющие однородное уширение.

Таким образом, характер уширения линии излучения зависит от давления газа.

Ватомарных лазерах используются электронные переходы (переходы между электронными уровнями), а в молекулярных в основном – переходы между колебательными и вращательными уровнями.

Молекулярные лазеры дают наиболее длинноволновое излучение, так как используют переходы между колебательными и вращательными уровнями ∆Eэл « ∆Eк «

∆Eвр.

Характеристики излучения газовых лазеров зависит как от общего давления газа, так и от парциальных давлений компонентов смеси (и их соотношения) – основного и вспомогательного газа.

В ионных лазерах необходимо использовать высокие плотности тока, т.к. кроме возбуждения ионов необходимо создать их высокую концентрацию из нейтральных атомов.

Особенностью электроионизационных лазеров является возможность обеспечения оптимальных значений энергий электронов для возбуждения нужных уровней энергии, что невозможно реализовать в лазерах с самостоятельным электрическим разрядом.

Пояснение:

В газоразрядных лазерах энергия электронов расходуется как на создание проводящей плазмы, так и на возбуждение активных частиц. При этом оптимумы энергии для этих двух функций различны. Разделение этих функций осуществляется в электроионизационных лазерах.

Рассмотрим в качестве примера некоторые типы газоразрядных лазеров.

e + Ne = e + Ne*

e + He = e + He*

He* + Ne = He + Ne*

Лазер на основе СО2

e + СО2 = e + СО2* e + N2 = e + N2*

N2* + СО2 = N2 + СО2*

Смесь: СО2 : N2 : Не

1 : 1 : 2

Большие мощности

(десятки кВт в непр. режиме в ТЕА СО2 лазерах).

ТЕА СО2 лазер замкнутого цикла.

Работают эксимерные лазеры при повышенном давлении (~10 атм.) для повышения вероятности образования молекул.

Возбуждение производится пучком высокоэнергетичесикх электронов е (сотни кэВ

– 1МэВ), электрическим разрядом, быстрым поперечным разрядом и оптическим возбуждением.

Пример реакции, приводящей к образованию молекул:

Xe+ + Xe → Xe2+ + e → Xe2* Xe* + Xe → Xe2*

Длительность импульса возбуждения – несколько десятков нс.

Газодинамические лазеры

Такими лазерами называются лазеры, инверсия населения в которых создаётся путём быстрого расширения предварительно нагретой газовой смеси.

Источником энергии служат колебательно возбуждаемые молекулы в сильно нагретом газе, а усиление возникает за счёт различия в скоростях процессов релаксации нижнего и верхнего лазерных уровней во время истечения газа через сверхзвуковое сопло. Это уникальный тип лазера – является прямым преобразователем тепловой энергии в энергию когерентного излучения.

Таким образом, инверсия населения в газоразрядном лазере обеспечивается нагревом и быстрым расширением рабочего газа.

N2 : CO2 : H2O 91,3% 7,5% 1,2%

Активные центры – молекулы СО2. t до 1500ºС.

За соплом вследствие резкого расширения газов и падения температуры распределение атомов по уровням должно релаксировать к новому равновесному состоянию, соответственно более низкой температуре (около 300ºС).

При новой температуре (за соплом):

Мощность такого лазера определяется расходом газа.

Предварительное возбуждение (нагрев) может обеспечиваться и химическими реакциями, и электрическим разрядом.

tu– момент появления инверсии.

zи = tи · Vгаза - расстояние от сопла, где начинается область инверсии. Vгаза - скорость истечения газа.

Химические лазеры.

Это лазеры, в которых возбуждение и инверсия населённостей достигается за счёт осуществления химических реакций. Связи перестраиваются таким образом, что компоненты оказываются в возбуждённом состоянии.

Различают 2 вида химических лазеров:

-с инициированием химической реакции, когда для обеспечения условий, необходимых для протекания химической реакции требуется предварительное возбуждение реагентов, вступающих в реакцию (диссоциация, фотодиссоциация, нагревание). Это приводит к необходимости специальных инициирующих устройств;

-химическая реакция возникает самопроизвольно при смешивании компонент (без инициирования). Генерация химических лазеров обусловлена появлением инверсии между колебательно-вращательными или вращательными уровнями двухатомных молекул, образующейся в результате химического взаимодействия.

Пример химического лазера без инициирования химической реакции:

V = 1…..6

= (3,5 ÷ 5,0) мкм Существует большое число химических лазеров (см. литературу).

Жидкостные лазеры

Это лазеры, где в качестве активной среды используются жидкие среды. В связи с этим они имеют ряд особенностей:

-не ограничен объём активной среды;

-более высокая оптическая однородность по сравнению с твёрдыми телами;

-возможность более высокой концентрации активных центров по сравнению с газами, что позволяет генерировать высокие мощности;

-легко решается проблема теплоотвода, так как жидкость можно прокачивать через рабочий объём;

-форма активного элемента определяется формой кюветы, которая заполняется жидкостью. Например:

В зависимости от типа активной среды жидкостные лазеры делятся на 3 типа:

1.Лазеры на растворах редкоземельных хелатов (сложные органические комплексы,

вкоторых ионы редкоземельных элементов находятся в окружении атомов кислорода, принадлежащих органической молекуле);

2.Лазеры на растворах неорганических соединений редкоземельных элементов

(типичные ионные системы). Отличаются высокой эффективностью и фотохимической стойкостью (например, раствор окиси неодима в оксихлориде селена Nd (SeOCl2). Работа аналогична твердотельному лазеру на неодимовом стекле.

3. Растворы органических красителей.

Эти лазеры наиболее широко распространены и дают возможность перестройки длины волны в широком диапазоне длин волн (от УФ до ИК).

Активная среда жидкостных лазеров состоит из растворителя и растворённого в нём активного вещества.

Вкачестве растворителя используются различные вещества, например, такие как:

-дистиллированная вода;

-спирты;

-кислоты;

-глицерин;

-ацетон.

В лазеры на растворах органических красителях используются органические красители, которые составляют обширный класс сложных органических соединений, который в отличии от других лазерных материалов характеризуется широкой полосой люминесценции (до 0,2 мкм) и имеет неустойчивый верхний лазерный уровень (длительность возбужденного состояния 10-8 ÷ 10-9 с.

Лазерное излучение получено на красителях, относящихся к 3 группам:

1.Ксантеновые красители;

2.Полиметиновые красители;

3.Производные кумарина.

В настоящее время широко используются, в частности, следующие красители:

И др. (см. справочные материалы).

Основные физические представления о механизме генерации растворов красителей.

В начале, при создании жидкостных лазеров пытались получить генерацию также как в твёрдых телах. Вводили примесные ионы, искали узкие энергетические уровни (метастабильные), вводили элементы редких земель, железо и так далее. Генерация была очень неэффективной.

Затем поняли, что если уровни достаточно широкие, то можно получить генерацию и в двухуровневой системе, что невозможно, если уровни узкие, так как при этом невозможно осуществить инверсию.

Итак, основная особенность лазеров на красителях – это использование двух уровней значительной ширины.

Молекулы красителя весьма сложны и обладают широкими энергетическими уровнями (полосами). Полоса – это широкий уровень, состоящий из огромного числа подуровней. На приведённой ниже схеме изображены нижние электронно-колебательные уровни молекулы красителя.

- время внутренней релаксации.

S - синглетные уровни (имеют скомпенсированные спины). Т - триплетные уровни (имеют нескомпенсированный спин).

Наиболее вероятны переходы синглет-синглет, чем синглет-триплет, так как последние связаны с переориентацией спина. Переориентация спина связана со столкновениями частиц.

Накачку производят из нижней части полосы S0 в верхнюю часть полосы S1. При этом нарушается тепловое равновесие (распределение Больцмана), как между уровнями S1 - S0, так и между подуровнями внутри каждой из полос S1 и S0 . Время релаксации между уровнями S1 и S0 составляет ~10-8 ÷ 10-9 с (время межуровневой релаксации)

значительно больше, чем время релаксации между подуровнями полосы S0 и полосы S1, которое составляет ~10-12 с (время внутриуровневой релаксации).

Таким образом, время межуровневой релаксации S1 → S0 значительно больше времени внутриуровневой релаксации в полосах S1 и S0.

Это обстоятельство и позволяет получать инверсию населённостей между нижней частью полосы S1 и верхней частью полосы S0 при воздействии накачки, описанной выше. При этом генерация возможна в широком диапазоне длин волн, соответствующих переходам между различными подуровнями нижней части полосы S1 и верхней части полосы S0 и возможна перестройка генерируемых длин волн в широком диапазоне!

Обратим внимание на то, что длительность импульса накачки должна быть короткой и не превышать время релаксации S1 → T1 ,так как в противном случае начнут переходить на уровень T0, затем поднимаются на уровень T1 и генерация прекратится, так как молекулы не вернутся в исходное состояние S0.

Таким образом, хотя в данном случае используются 2 уровня (но широких), генерация происходит как в четырёхуровневой схеме со всеми её преимуществами.

Аналог 4х уровневой схемы.

Дополнительное пояснение:

На рисунке пунктирной линией показано распределение частиц до начала накачки (равновесное распределение Больцмана), а сплошными линиями, то распределение которое устанавливается внутри полос S1 и S0 после накачки за время внутриуровневой релаксации, свидетельствующее о факте возникновения инверсии между частью подуровневой полосы S1 и S0.

Способы возбуждения (накачки) жидкостных лазеров.

Лазеры на растворах красителей работают с оптической накачкой.

Важной особенностью является то, что импульс не должен превышать время межуровневой релаксации S1 → T0 , то есть быть не более 10-6 с . При коротком импульсе переходы S1 → T0 не успевают проявиться. Для накачки используют как лазеры

(лазерная накачка), обычно работающие в режиме модуляции добротности (τгенерации ~ 10-8 ÷ 10-9 с), так и специальные лампы накачки ( в частности, коаксиальной конструкции,

имеющие малую индуктивность), излучающие короткие импульсы.

При лазерной накачке (например, с помощью рубинового лазера) с модуляцией добротности (особенно, для фталоцианиновых красителей), неодимового лазера с модуляцией добротности (для полиметиновых красителей), азотного лазера ( ~ 3000Å) различают 2 варианта: