lazery_dlya_golografii_uchebnoe_posobie

При переходе атома неона из состояния 2p55s2[1/2] в состояние 2p53p2[3/2] испускается излучение с длиной волны 632.816 нм. Состояние 2p53p ²[3/2] атома неона также является излучательным с малым временем жизни и поэтому это состояние быстро девозбуждается в систему уровней 2p53s а затем и в основное состояние 2p6 — либо за счёт испускания резонансного излучения, либо за счёт соударения со стенками (метастабильные уровни системы 2p53s). Кроме этого возможно получить лазерное излучение на длинах волн 543,5 нм (зелёный), 594 нм (жёлтый) или 612 нм (оранжевый).

Полоса пропускания, в которой сохраняется эффект усиления излучения рабочим телом лазера, довольно узка, и составляет около 1,5 ГГц, что объясняется наличием доплеровского смещения. Это свойство делает гелий-неоновые лазеры хорошими источниками излучения для использования в голографии.

Рис.16 Основные элементы конструкции He-Ne лазера

Основные элементы конструкции He-Ne лазера изображены на рис.16. Оптический резонатор гелий неонового лазера содержит два вогнутых или плоских зеркала 1 и 2; в объеме резонатора размещена тонкая трубка 3 с внутренним диаметром около 1 мм и длиной примерно от нескольких см до метра. В трубку введены газы гелия и неона при соотношении парциальных давлений Не:Ne = 5:1 и общем давлении 0,4 кПа. Тлеющий разряд в трубке обеспечивается электрическим напряжением 13 кВ от внешнего источника 4, приложенным между катодом 5 и анодом 6 трубки; ток разряда (около

31

5 мА) ограничивается резистором 7. На концах газоразрядной трубки под углом Брюстера к оси трубки в качестве окон размещены полированные оптические стекла 8 и 9. Благодаря этому, лазерное излучение на выходе полностью поляризовано. Мощность излучения He-Ne лазеров может достигать 60 мВт, типичная длина когерентности Lког 15-20 см. Однако, в ряде случаев меры по стабилизации частоты генерации позволяют получить длину когерентности в несколько сот метров и более, однако, такие лазеры очень дороги.

Газовые лазеры. Аргоновый (Ar) лазер

Аргоновый ионный лазер был изобретен в 1964 г. и является одним из семейства ионных лазеров, которые используют инертный газ в качестве активной среды, которая под действием разряда преобразуется в плазму с высокой плотностью тока.

Рис.17 Основные элементы конструкции Arлазера

1– выходные окна (под углом Брюстера), 2– катод, 3 – водяное охлаждение,

4 – рабочая трубка (капилляр), 5 – соленоид, 6 – анод, 7 – обводной канал.

Отсюда следует, что нейтральному атому аргона должно быть передано значительное количество энергии для того, чтобы перевести его на верхний лазерный уровень иона аргона. По конструктивному выполнению ионный аргоновый лазер значительно сложнее других газовых лазеров. Аргоновый

32

лазер потребляет достаточно большую электрическую мощность (до 10 кВт и более) и требует водяного охлаждения.

Принцип действия Ar-лазера можно пояснить с помощью принципиальной схемы изображенной на рис.17. Газовый разряд создают в тонком (диаметром в несколько мм) капилляре 4, охлаждаемом жидкостью 3. Рабочее давление газа – десятки паскалей. Для увеличения концентрации электронов в центре капилляра в разрядном пространстве с помощью магнитов 5 создается магнитное поле, которое сжимает разряд и не дает ему касаться стенок. Катод 2 эмитирует электроны, которые под действием электрического поля, приложенного между катодом 2 и анодом 6, движутся по капилляру к аноду. При этом газ в капилляре тоже начинает перемещаться от катода к аноду, что может привести к гашению разряда, так как у анода давление значительно повышается. Для выравнивания давления по длине капилляра катодную и анодную полости газоразрядной трубки соединяют обводной газовой трубкой 7, обеспечивающей свободную циркуляцию газа. В первых ионных лазерах использовались кварцевые капилляры, затем, в более поздних конструкциях применялись металлокерамические капилляры. Перспективными являются капилляры на основе окисей бериллия, работающего более 1000 ч.

Блок питания ионного лазера представляет собой мощный выпрямитель, выходное напряжение которого составляет 200…400 В. Можно использовать также высокочастотное возбуждение, при котором возрастает долговечность капилляра за счет того, что ионы, бомбардирующие его стенки, при движении в высокочастотном поле не успевают приобрести большой скорости. Однако блок питания в этом случае получается значительно сложнее, чем при возбуждении лазера постоянным током. Аргоновые ионные лазеры излучают на более чем десяти длинах волн (рис.18) в видимой, ультрафиолетовой и ближней ИК области спектра (351,1

нм, 363,8 нм, 454,6 нм, 457,9 нм, 465,8 нм, 476,5 нм, 488,0 нм, 496,5 нм, 501,7

33

нм, 514,5 нм , 528,7 нм, 1092,3 нм), однако в голографии используются в основном лишь самые интенсивные из них в сине-зеленой области спектра (488 нм и 514,5 нм) мощность генерации на которых может достигать в одномодовом режиме нескольких Ватт.

Рис.18 Соотношение мощности генерации излучения Ar-лазера на различных длинах волн (в относительных единицах).

Длина когерентности аргонового лазера без эталона Фабри-Перо составляет около 5 см, с эталоном Фабри-Перо может достигать 3 м и более. В литературе опубликованы данные о получении длины когерентности до 1000м. Аргоновые лазеры часто используется для записи голограмм большого формата, в том числе при копировании голограмм.

Газовые лазеры. Криптоновый (Kr) лазер

Криптоновый лазер – это тип газового лазера с использованием ионов криптона в качестве активной среды, с накачкой электрическим разрядом. По конструкции во многом аналогичен аргоновому лазеру. Криптоновые лазеры излучают на нескольких длинах волн видимого спектра: 406,7 нм, 413,1 нм, 415,4 нм, 468,0 нм, 476,2 нм, 482,5 нм, 520,8 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм,

34

676,4 нм (см. рис.). На рис.19 представлена диаграмма, показывающая соотношение мощности генерации излучения Kr-лазера на различных длинах волн

Наиболее интенсивная линия генерации с λ= 647,1 нм, мощность излучения на которой может достигать 1-3 Вт. Длина когерентности без эталона Фабри-Перо – около 5 см, с эталоном Фабри-Перо – 2-3 м.

Широко используется в голографии, чаще всего для копирования голограмм большого формата.

Рис.19 Соотношение мощности генерации излучения Kr-лазера на различных длинах волн (в относительных единицах).

Газовые лазеры. Аргон-криптоновый (Ar-Kr) лазер

Аргон-криптоновые лазеры используют смесь Ar и Kr в одной излучающей трубке. Благодаря этому получают более широкий диапазон длин волн генерации, чем для отдельно взятых аргонового и криптонового лазеров. К интенсивным синим и зеленым линиям генерации Arлазера добавляются интенсивные желтые и красные линии криптона, при смешении которых получается практически белый свет. Набор длин волн генерации Ar –Kr лазера при разных давлениях криптона представлен на рис.20.

35

металлического кадмия и нагреватель для того, чтобы контролировать давление его паров, механизм добавления гелия для поддержания оптимального давления и различные датчики внутри конструкции для слежения за всеми этими параметрами (давление, температура, ток трубки) с использованием электронного управления по типу обратной связи в блоке питания. Как и в других газовых лазерах, использование выходных окон расположенных под углом Брюстера обеспечивает линейную поляризацию на выходе лазера. Типичная выходная мощность составляет от 10 до почти

200 мВт.

Рис.21 Гелий-кадмиевые лазеры производства Kimmon Koha Co., Ltd (Япония)

По данным производителя ( Kimmon Koha Co., Ltd), модель гелийкадмиевого лазера IK4171I-G (рис.21) имеет выходную мощность линейнополяризованного излучения до 180 мВт на длине волны 441.6 нм при длине когерентности около 30 см.

37