Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 18
Текст из файла (страница 18)
гл.1). Нижний лазерный уровень, следовательно, метастабилен. Время релаксации зависит от условий работы и находится в диапазоне от!0 мкс до нескольких сотен мкс. Поэтому инверсия населенностей может достигаться только в течение весьма короткого периода — около 100 нс пока не будет заселен нижний лазерный уровень. При этом происходит срыв генерации излучения. Следовательно, лазеры на парах меди и золота могут функционировать исключительно в импульсном режиме с шириной импульсов менее 100 нс. Между двумя импульсами должно пройти достаточно времени, пока нижний уровень не будет полностью опустошен. По этой причине при малых частотах импульсов около 3 кГц импульсная энергия относительно велика (примерно 10 мДж).
Импульсы лазерного излучения обладают довольно большой шириной — 50 нс, При повышении частоты до 20 кГц энергия сокращается в 20 раз, а длительность лазерных импульсов уменьшается наполовину (это явление англичане называют «зе! Г-гепшпайоп»), Длина волн для лазеров на парах Сц и Ац приведена в схеме уровней и таблице 4.3 вместе с другими характеристиками коммерческих лазеров. Лазеры на парах меди генерируют излучение двух длин волн — с 510,6 нм (зеленые) и 578,2 нм (желтые).
Эти линии создаются одновременно, причем их интенсивность зависит от температуры. При оптимальной температуре относительная интенсивность зеленой линии составляет около Уз всего излучения. Часто отмечается разделение обеих линий в выходном пучке. Коммерческие Ац-лазеры генерируют, в частности, красную линию с 628 нм. На рис.4.4 приведены также дополнительные данные касательно других лазеров на парах металлов (Ва, Мп, РЬ). ( 88 Глава 4. Лазерные переходы в нейтральных атпотиах буферный газ с давлением около 3000 Па. Металл конденсирует в холодных местах, и металлический наполнитель приходится добавлять примерно через каждые 300 рабочих часов. В случае Сц-лазера скорость конденсации составляет около 0,01 грамма в час.
Конденсация у Ац-лазера осуществляется несколько быстрее, и затраты на добавление золота составляют порядка 30 нем. марок за 8 часов работы. Понятно, что золото в последующем может быть регенерировано. Лазерные трубки обычно имеют длину 1 метр и диаметр от 1 до 8 ем. Газонаполненный буфер уумный кожух ой наполннтель трубка газонаполненный буфер Рлс.
4.5. Конструктивное исполнение лазера ив парах металла С учетом метастабильного нижнего лазерного уровня накачка производится импульсами с коротким временем нарастания. Напряжения составляют несколько десятков кВ. Для быстрого включения (в единицах наносекунд) используются тиратроны. Максимальные токи находятся в диапазоне 1000 А, что привело к необходимости разработки специальных электросхем. Для достижения высокой средней мощности частоты импульсов находятся в кГц-диапазоне (см. таблицу 4.3). Электрическая мощность сетевых блоков питания лазеров на парах металлов достигает, согласно таблице 4.3, примерно 10 кВт. Охлаждение лазеров производится с помощью воды или — в случае лазеров до 10 Вт — с применением воздуходувки. Срок службы лазерных трубок составляет от 1000 до 3000 часов.
Тиратроны при необходимости подлежат замене. Число лазеров на парах металла, выпускаемых для коммерческих целей, относительно невелико, и при их изготовлении принято учитывать возможные специальные пожелания заказчиков. Высокое дифференциальное усиление от О,1 до 0,3 см' (для меди) позволяет обойтись минимальными требованиями в отношении лазерных зеркал, хотя генерация лазерного изучения возможна и вообще без зеркал. У лазеров коммерческого назначения газоразрядная трубка закрывается стеклянными окнами, и здесь могут использоваться внешние зеркала (с коэффициентом отражения 1О % и 100 %).
Стабильные резонаторы обеспечивают многомодовый луч диаметром 2 — 8 см, с равномерным распределением интенсивности и расходимостью 3 — 5 мрад. Нестабильные резонаторы уменьшают расходимость примерно до 0,5 мрад при некотором снижении мощности. Ширина полосы отдельной Сц-линии составляет от 4.3. И д р,СОП Вф 6 до 8 ГГц.
Длина когерентности вполне достаточна для использования, например, в импульсной голографии. Области применения Коэффициент полезного действия лазера на парах меди более чем в 10 раз превышает таковой у ионного аргонового или гелий-неонового лазеров. Еще одно отличие заключается в том, что здесь генерируются короткие импульсы 50 нс с максимальными мощностями !00 кВт и энергией 10 мДж.
Одной из основных областей применения лазеров на парах меди была до сих пор накачка лазеров на красителях и лазерных усилителей, причем кгщ достигает порой 50 %. Среди других применений можно назвать: импульсную голографию и высокоскоростную фотографию, аналитику и обработку материалов. Лазер на парах золота весьма популярен в медицине, причем красное лазерное излучение широко используется, в частности, при фотодинамической терапии для разрушения опухолей. При таком способе излучение в красной области спектра поглощается красителем НрР, которым насыщается опухоль.
При этом образуются агрессивные продукты реакции, способные разрушить опухоль. Извлечение меди из соединений Существенное понижение рабочей температуры и, следовательно, сокращение технологических затрат на разрядное оборудование вполне достижимы при условии использования соединений меди. Так, применяя Сц-галогениды (например, бромид меди), достаточно рабочей температуры от 400 до 600 'С, а при ацетате меди хватит и 200 С. Для генерирования лазерного излучения можно прибегнуть к двухимпульсному способу. При этом в первом разрядном импульсе происходит диссоциация бромида меди, во втором импульсе верхний лазерный уровень заселяется на основе соударения электронов.
При этом — в целях оптимальной генерации лазерного излучения — происходит задержка импульса на период от 180 до 300 мкс. В лабораторных приборах такой способ действует с частотами повторения лазерных импульсов в несколько Гц. Отказавшись от известных оптимальных условий генерации лазерного излучения, можно добиться диссоциации и накачки лазера также и на основе цуга импульсов с частотами до 20 ркГц. Установки коммерческого назначения функционируют с часто~ой импульсов 2 — 6 кГц.
Энергия лазерного излучения обеих линий 5!0,6 и 578,2 нм составляет при многомодовой генерации от 0,5 до 2,5 мДж с длительностью импульсов около 20 нс. 4.3. Йодные лазеры, СОИ. Атомные йодные лазеры с длиной волны 1,3 мкм предлагаются в двух вариантах. Для использования в военных целях делается ставка на кислородно-йодный лазер (СО1Е, сЛеш(са! охузеп югйпе 1азег), относящийся к классу химических лазерных систем. Результатом химической реакции здесь является возбужденный кислород О", Глава 4. Лазерные переходы в пейгпральпык ап1 омах в 'Ь-состоянии (например, из Н,О,). Атом йода образуется в газовом разряде, например, из СН,1, С,Н,1, и в быстром потоке смешивается с кислородом.
Энергия накачки в процессе столкновения передается атому йода согласно следуюшему уравнению; О", +! -» О, + 1*. (4.2) Химические лазеры способны развивать очень высокие мошности (более 100 кВт) и большую энергию в импульсе. Это объясняется тем, что энергия может чрезвычайно эффективно аккумулироваться в химических соединениях и затем быстро использоваться для накачки лазера. Ниже приводится детальное описание изобретенного ранее йодного лазера с оптической накачкой, принцип действия которого основан на том, что йодсодержашие молекулы «взламываются» ультрафиолетовым излучением с выделением атомарного йода в возбужденном состоянии, например: СР1+ф' — »СР, +1 . (4.3) При этом образуется больше атомов в возбужденном 'Р„;состоянии, чем в основном 'Р„;состоянии.
Схему энергетических уровней лазера такого типа показывает рис. 4.6. В результате фотодиссоциации С1Р,!или СН,! с интенсивным УФ-излучением из лампы-вспышки (300 нм) образуется атомарный йод с созданием инверсии населенностей. 5 Р1/2 Лазер«донной волны 1,315 мкм 5 Р3~2 «акция другие седин«пик с3гу1 Рис. 4ХК Схема энергетических уровней йодного лазера Лазерный переход осушествляется на линии 5р'2Р„, -» 5р'2Р„, с длиной волны 1,315 мкм. Эти состояния возникают благодаря расщеплению тонкоструктурной конфигурации основного состояния 1Кг) 4д" 5л2р'. Оба состояния обладают равным орбитальным моментом 2 = 1, то есть это Р-состояния. Четность в обоих состояниях одинакова, так что электрические дипольные переходы запрещены. Лазерное излучение возникает в результате магнитных дипольных переходов. Рассматриваемые лазеры работают в большинстве случаев в импульсном режиме, а после импульса возможна рекомбинация молекулярных фрагментов опять к исходному соединению.
В системе продольного протекания газа при накачке с применением Ня-ламп высокого давления достижим также непрерывный режим работы — порядка 40 мВт. Коммерческие йодные лазеры пригодны для использова- Зд 9~) ния в следуюших рабочих режимах: с генерацией импульсов большой длительности (3 мкс, 3 Дж), с модулированной добротностью (20 нс, 1 Дж) и с синхронизацией мод (от 2 до 0,1 нс). В последнем варианте естественная линия может быть уширена за счет буферного газа. Коммерческие лазеры могут возбуждаться посредством протекающего газа (С,Р,!), причем отработавший газ удаляется с помощью вакуумного насоса. У лазеров в герметичном корпусе газ циркулирует с возможностью повторного использования.
Здесь достигается частота следования импульсов до 1О Рц. Короткие импульсы, создаваемые в режиме с модулированной добротностью или с синхронизацией мод, могут быть многократно расширены с образованием длин волн, равных 658, 438 и 329 нм. При конструировании лазерно-усилительных систем удается получить высокую энергию в импульсе в кДж-диапазоне и пиковые мощности в ТВт-диапазоне. Это позволяет успешно применять подобные установки в лазерном термоядерном синтезе (см. здесь п.
23.4). Изучается также возможность создания йодных лазеров с накачкой солнечным светом, зкдячи 4.1. Спределить число атомов неона в гелий-неоновом лазере с диаметром капиллярных трубок 1 мм и длиной 20 ем. Сколько фотонов в секунду излучается одним атомом при выходной мощности 1 мВт? (Давление заполнения р = 500 Па, ри /ри, = 5:1, число Авогадро )У= 6 022. 1О" моль ', молярный объем при 1 бар = 1О' Па = 22,4 литра).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
