6. Принцип действия, устройство, основные параметры и характеристики газовых лазеров.

В газовых лазерах активной средой являются газ, смеси газов или смесь газа с парами металлов. По методу возбуждения активной среды различают газоразрядные, газодинамические и химические газовые лазеры.

Газоразрядные лазеры- инверсия населенностей возникает под действием электрического разряда в газе. Газоразрядные лазеры бывают атомарные (на нейтральных газах), ионные и молекулярные.

В газодинамических лазерах инверсия населенностей создается за счет быстрого охлаждения газовой смеси, предварительно нагретой до высокой температуры при большом давлении.

В химических лазерах возбуждение активной среды обеспечивается с помощью химических реакций газовых компонент.

Вследствие слабого взаимодействия между активным частицами газа излучение газовых лазеров обладет наиболее высокой монохроматичностью, временной и пространственной когерентностью по сравнению с излучением других типов лазеров.

Атомарные газовые лазеры: в лазерах на нейтральных газах обычно используется смесь газов, в которых при атомных соударениях энергия возбужденных частиц одного газа передается частицам другого газа. При этом создается инверсия населенностей определенных уровней атомов второго газа.

Гелий-неоновые лазеры: в гелий-неоновом лазере используется смесь гелия Не и неона Ne в соотношении от 10:1 до 5:1 при общем давлении газовой смеси 130 Па. Вынужденные излучение создают атомы неона; атомы гелия участвуют лишь в передаче энергии атомам неона.

Схема (с. 289)

Гелий-неоновый лазер состоит из блока излучателя, в котором размещены газоразрядная трубка и зеркала оптического резонатора, и блока питания 4. Газоразрядную трубку выполняют обычно из термостойкого электроваккумного стекла, она может иметь длину от 5 см до 3 м а диаметр от 3 до 10 мм. Трубка запаяна с двух концов пластинами-окнами 2 из кварцевого стекла толщиной 1-2 мм, которые ориентированы по углом Брюстера относительно падающего пучка. Оптический резонатор образован двумя зеркалами 3, одно из которых обычно сферическое, а другое плоское.

Ионные лазеры: в ионных лазерах для получения вынужденного излучения используются переходы между энергетическими уровнями ионов газов. В качестве активной среды применяют аргон, криптон, ксенон и другие газы, излучающие в основном в УФ-области и сине-зеленой области видимого излучения.

Устройство (рис с. 295)

Молекулярные лазеры: молекулярные лазеры к наиболее перспективным группам газоразрядных лазеров. К этому классу относятся лазеры, генерация излучения которых происходит на переходах между колебательными уровнями молекул. Это связано с их высоким КПД (до 50%), исключительно высокой мощностью излучения в непрерывном режиме (до 1 МВт), возможностью генерации в широком ИК-диапазоне.

6. Принцип действия, устройство, основные параметры и характеристики твердотельных лазеров.

Из большого числа лазерных веществ, обладающих способностью к излучению, практическое применение в твердотельных лазерах нашли кристаллы синтетического рубина.

Для твердотельных активных лазерах сред характерно значительное время жизни возбужденных ионов в метастабильном состоянии ( с), поэтому активные среды обычно используют в качестве накопителей энергии, что позволяет получать значительные по мощности импульсы, достигающие Вт и более.

Упрощенная схема энергетических уровней ионов хрома в рубине (трехуровневая система) показана на рис. (273 с).

Ионы хрома обладают широкими полосами поглощения вблизи длин волн 0,56 мкм и 0,41 мкм. В результате поглощения энергии накачки ионы хрома переходят из основного невозбужденного состояния 1 в возбужденное состояние 3, время жизни которого мало и составляет с. В основе состояние ионы возвращаются в результате двух последовательных переходов. Первый переход – безизлучательный в метастабильное состояние 2 с выделением энергии в виде тепла. При наличии усиления излучения в резонаторе слабое начальное излучение, возникающее при спонтанном переходе ионов из состояния 2 в состояние 1, вызывает вынужденное излучение других ионов на частоте перехода. Таким образом, второй переход из метастабильного состояния 2 в основное 1 сопровождается излучением основной длины волны 0,694 мкм.

В неодимовом стекле энергетические переходы ионов неодима осуществляются по четырехуровневой системе (рис 273 с.). Поглощая энергию накачки в полосах поглощения, лежащих в спектральной области 0,58 – 0,88 мкм, активные частицы переходят с основного уровня 1 на уровень 4. Затем частицы совершают безизлучательный переход с уровня 4 на метастабильный уровень 3, на котором создается инверсная населенность. Интенсивное вынужденное излучение на 1,058 мкм происходит при переходе активных частиц между уровнями 3 и 2.

Устройство твердотельного лазера. (рис 274)

Лазер состоит из блока излучателя и блоков управления, накачки, зажигания импульсных ламп накачки и управления затвором (в случае применения оптического затвора при импульсном режиме излучения). С блока управления осуществляют управление работой прибора и контроль за ним. Блок накачки предназначен для питания импульсной лампы накачки. В блоке зажигания вырабатываются импульсы для зажигания импульсной лампы и запуска блока управления затвором.

Основным функциональным блоком лазера является излучатель, включающий активный элемент, источник накачки, отражатель и оптический резонатор.

Импульсный характер излучения твердотельных лазеров реализуется в режимах свободной генерации и модуляции добротности. В режиме свободной генерации формирование импульсов излучения начинается с момента времени, когда достигнут порог генерации, и длится практически до тех пор, пока энергия накачки превышает этот порог. Генерируемый импульс имеет длительность - . Модуляции добротности Q – для получения импульсы с большой пиковой мощностью малой длительности - с.

КПД лазера.

, где КПД блока питания системы накачки; 0,45; коэффициент преобразования электрической энергии в энергию излучения лампы накачки, 0,4; коэффициент использования лампы накачки, 0,1; коэффициент эффективности отражателя, 0,7; квантовая эффективность активной среды, 0,5; среднее значение твердотельных лазеров 0,006 – 0,007.

Энергия излучения твердотельных лазеров Е пропорциональна превышению энергии накачки над ее пороговым значением . зависимость или называется энергетической (генерационной) характеристикой лазера.

Длина волны генерации обычно определяется спектральной характеристикой активной среды.

Ширина линии генерации характеризуется монохроматичность лазерного излучения.

угол расходимость излучения, в твердотельных лазерах составляет .