Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 17
Текст из файла (страница 17)
2), который может использоваться с напряжением около 12 кВ при токах от 5 до 10 мА. Типичная длина разряда равна 10 ем или более, диаметр разрядных капилляров составляет порядка 1 мм и соответствует диаметру излученного лазерного пучка. При увеличении диаметра газоразрядной трубки коэффициент полезного действия понижается, так как для опустошения 1з-уровня требуются столкновения со стенкой трубки. Для оптимальной выходной мощности используется полное давление (р) заполнения: р Р= 500 Па мм, где Р есть диаметр трубки. Соотношение в смеси Не/Хе зависит от желаемой линии лазерного излучения. Для известной красной линии имеем Не: Хе= 5:1, а для инфракрасной линии около 1,15 мкм — Не: Хе= 10:1.
Важным аспектом представляется также оптимизация плотности тока. Коэффициент полезного действия для линии 633 нм составляет около 0,1 %, поскольку процесс возбуждения в данном случае не слишком эффективен. Срок службы гелий-неонового лазера составляет порядка 20000 рабочих часов. Анод Катод Зеркало ий луч Ьрюстеровская пластина 1опция) ряс. 4.2. Конструктивное исполнение Не-Ме-лазера для поляризованного излучения вмВт-диапазоне Усиление при таких условиях находится на уровне я = О,1 м-', так что необходимо использовать зеркала с высокой отражательной способностью.
Для выхода лазерного пучка только с одной стороны там устанавливают частично пропускающее (полупрозрачное) зеркало (например, с Я = 98 %), а на другой стороне — зеркало с максимально высокой отражательной способностью (= 100 %). Усиление для других видимых переходов значительно меньше (см. таблицу 4. 2). Для коммерческих целей эти линии удалось получить только в последние годы с помощью зеркал, отличающихся чрезвычайно малыми потерями.
~В4 Г ГЛ р р Ь бр Ранее у гелий-неонового лазера выходные окна газоразрядной трубки фиксировались эпоксидной смолой, а зеркала монтировались снаружи. Это приводило к тому, что гелий диффундировал через клей, и в лазер попадал водяной пар. Сегодня эти окна крепятся методом прямого спая металла со стеклом, что дает снижение утечки гелия примерно до 1 Па в год. В случае небольших лазеров массового производства зеркальное покрытие наносится непосредственно на выходные окна, что значительно упрощает всю конструкцию. Свойсгпва пучка Для выбора направления поляризации газоразрядная лампа снабжается двумя наклонно расположенными окнами или, как показано на рис.
4.2, в резонатор вставляется брюстеровская пластина. Отражательная способность на оптической поверхности обращается в нуль, если свет падает под так называемым углом Брюстера и поляризован параллельно плоскости падения. Таким образом, излучение с таким направлением поляризации без потерь проходит через брюстеровское окно. В то же время отражательная способность компоненты, поляризованной перпендикулярно плоскости падения, достаточно высока и подавляется в лазере. Коэффициент (степень) поляризации (отношение мощности в направлении поляризации к мощности перпендикулярно этому направлению) составляет у обычных коммерческих систем 1000:1. При работе лазера без брюстеровских пластин с внутренними зеркалами генерируется неполяризованное излучение.
Лазер генерирует обычно на поперечной ТЕМ -моде (моде низшего порядка), причем образуется сразу несколько продольных (аксиальных) мод. При расстоянии между зеркалами (длине резонатора лазера) 2, = 30 см межмодовый частотный интервал составляет Лф'=с/2Е= 500 МГц. Центральная частота находится на уровне 4,7 10'4 Гц. Поскольку усиление света может произойти в пределах диапазона .5К= 1500 МГц (доплеровская ширина), при С = 30 ем излучается три разных частоты: цг757'= 3.
При использовании меньшего расстояния между зеркалами (< 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.
Гелий-неоновые лазеры около 1О мВт часто находят применение в интерферометрии или голографии. Длина когерентности подобных лазеров серийного производства составляет от 20 до 30 ем, что вполне достаточно для голографии небольших объектов. Более значительные длины когерентности получаются при использовании серийных частотно-селективных элементов. При изменении оптического расстояния между зеркалами в результате теплового или иного воздействия происходит сдвиг аксиальных собственных частот резонатора лазера. При одночастотной генерации здесь не получается стабильной частоты излучения — она бесконтрольно перемещается в диапазоне ширины линии 1500 МГц. Путем дополнительного электронного регулирования может быть достигнута стабилизация частоты как раз по центру линии (у коммерческих систем возможна стабильность частоты в несколько М Гц).
В исследовательских Гг.Л Г „„Р ~С,,А,~ ВД~З) лабораториях удается иногда стабилизировать гелий-неоновый лазер на диапазон менее 1 Гц. Путем использования подходящих зеркал разные линии из таблицы 4.2 могут возбуждаться для генерации лазерного излучения. Чаще всего находит применение видимая линия около 633 нм с типовыми мощностями в несколько милливатт.
После подавления интенсивной лазерной линии порядка 633 нм благодаря использованию селективных зеркал или призм в резонаторе могут появиться другие линии в видимом диапазоне (см. таблицу 4.2). Однако выходные мощности этих линий составляют всего 10 % от выходной мощности интенсивной линии или даже меньше. Гелий-неоновые лазеры коммерческого назначения предлагаются с разными длинами волн. Помимо них имеются еше лазеры, генерирующие на многих линиях и способные излучать волны множества длин в самых разных комбинациях. В случае перестраиваемых Не-)Че-лазеров предлагается, поворачивая призму, выбрать требуемую длину волны.
4.2. Лазеры на парах металла (Си, Аи) Важнейшими представителями нейтральных лазеров этого типа являются системы на парах меди или золота, генерирующие в видимом и соседнем с ним диапазонах. Длины волн находятся в желтой и зеленой (Сц), а также в красной и ультрафиолетовой (Ац) областях спектра (рис. 4. 3 и 4.4).
Лазеры на парах металла отличаются высокой мощностью (от 1 до 10 Вт) и большим кпд (до 1 % у меди). Непрерывный режим генерации лазера не возможен из-за долгого времени жизни на нижнем лазерном уровне. В импульсном режиме могут достигаться частоты повторения импульсов в кГц-диапазоне. С учетом высоких средних мощностей лазеры на парах меди и золота успешно используются в коммерческих целях (см. таблицу 4. 3).
Техническое усовершенствование лазеров этого типа резко продвинулось вперед — не в последнюю очередь в силу того, что, например, Сц-лазеры активно применяют в качестве источников накачки для лазеров на красителях. Подобные системы имеют немаловажное значение и в сфере разделения изотопов: в этом случае газообразные атомы возбуждаются селективно-оптическим способом. Схема энергетических уровней Относительно высокий коэффициент полезного действия от 0,2 % (Ац) до ! % (Сц) можно наглядно объяснить также с помощью схемы уровней, имеющей одинаковую структуру для обоих типов рассматриваемых лазеров. Возьмем из рис.
4 3 квантовую эффективность (соотношение энергии фотона лазерного излучения и энергии накачки верхнего лазерного уровня) для Сп-лазера = 0,6. Этим обеспечиваются коэффициенты полезного действия, превышающие таковые у аргонового и гелий-неонового лазеров. Верхний лазерный уровень заселяется путем столкновения электронов в газовом разряде. Здесь имеет место сильноселективная накачка, что можно объ- ~В6 Г 4.Л ~ Р и йр энергия Золото эВ Медь З/2 1 1/2 8 нм) Зед (510 нм) 578 нм) 03/2 2нм ) К Ф х и ах оэ аю х ха ох и лъ К к хе к х от аи н х Я гг1 05/2 25 Рие.4.3. Схема энергетических уровней лазера на парах меди и золота 12 д 9 Й б х о 5 о 500 400 500 700 1000 1500 Длина волны, нм Рве. 4.4.
Разные длины волн коммерческих лазеров на парах меди и золота яснить иной четностью по сравнению с основным состоянием. Верхнии лазерный уровень имеет оптически разрешенный переход к основному состоянию. Это приводит к очень короткому естественному времени жизни — около 1О нс. Однако при достаточной атомной плотности (> 10" см ') происходит так называемое чпленениеа излучения, поэтому выходящее спонтанное излучение вновь поглощается.
Эффективное время жизни возрастает благодаря этому до 10 мс. Таким образом, генерация лазерного излучения становится возможной только на основе процесса пленения излучения при высокой плотности газа. При малой же плотности время жизни слишком коротко, а потери в результате спонтанного излучения чрезмерно велики. табаина 4.3. Характеристики лазеров на парах меди и золота Лазер на парах меди Лазер на парах золота Длина волны Средняя мощность Энергия в импульсе Длительность импульса Пиковая мощность Частота импульсов Диаметр пучка Расходнмость пучка (неустойчивый резонатор) (им) (Вт) (мДж) (нс) (кВт) (кГц) (мм) (рад) 510,6/578,2 60 1О 15...
60 < 300 5... 15 40 0,6 10 ' 627,8 10 2 15... 60 50 6... 10 40 0,6 1О' Конструктивное исполнение Типовая конструкция лазера на парах металла показана на рис. 4.5. На концах термоизолированной керамической трубки находятся два электрода, между которыми горит импульсный разряд. Выделяющегося при этом тепла достаточно для нагрева газоразрядной трубки, в результате чего происходит испарение металлического наполнителя. Для Сц-лазера рабочая температура составляет 1500 "С, для Ац-лазера — 1600 'С. В целях улучшения качества разряда примешивается неон как Нижние лазерные уровни обладают той же четностью, что и основное состояние, так что оптический переход здесь запрещен (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
