Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

4.2. Дзказать, что, согласно схеме связи ЬБ (Рассела-Саундерса), электронные конфигурации неона 1з'2з'2р' лр (с и = 3, 4,...) десятикратно расщеплены; указать соответствующие обозначения уровней. 4.3. Какой минимальный коэффициент отражения должно иметь выходное зеркало Не-Хе-ла зера длиной 20см, генерирующего зеленую линию (см. таблицу 4.2)? 4.4.

СПределить квантовую эффективность гелий-неонового лазера для красной линии (1 = 0,63 мкм) в пересчете на энергию возбуждения верхнего состояния лазера В'=20 эВ. 4.5. Дзпустим, старые гелий-неоновые лазеры (с наклеенными выходными окнами) показывают падение мощности по причине диффузии гелия из трубки.

С целью повышения давления Не в лазере выпуска 5-летней давности его помешают в атмосферу гелия с давлением 1 бар. Как долго лазер должен находиться в таком окружении? 4.6. Эффективное время жизни на верхнем уровне лазера на парах меди составляет 10 мс, а на нижнем уровне — от 1О до 100 мкс. Какие выводы можно сделать о свойствах генерируемого излучения? 4.7. В лазере на парах меди при достаточно высоком давлении (л > 10" см-', Т = 1500 'С) имеет место пленение излучения, в результате чего продлевается время жизни на верхнем лазерном уровне. Укажите соответствующее этим условиям давление пара. ГЛАВА 5 ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ В случае ионных лазеров, которым посвящена данная глава, речь идет о газо- разрядных системах, близких к лазерам с атомарными газами.

Ион есть атом, у которого один или несколько электронов обычно освобождены из внешних орбит. Поэтому ион заряжен положительно, причем этот заряд соответствует одному или нескольким элементарным зарядам. Оставшиеся электроны могут возбуждаться так же, как в атоме, и генерировать излучение при переходе в основное состояние либо иные возбужденные состояния. Здесь возможны точно такие же лазерные переходы, что и в атомах.

Поскольку каждому атому принадлежит несколько ионов, то в силу их существования возникает множество дополнительных лазерных линий. Ионы образуются в каждом газовом разряде в результате столкновения электронов, возбужденных атомов или других ионов с атомами, вследствие чего атомы «ионизируютсяьь Кроме того, в газовом разряде ионы возбуждаются вследствие разных процессов столкновения с электронами или другими частицами, так что газовые разряды, наряду с атомными переходами, также генерируют излучение посредством электронных переходов в ионах.

Ионы могут формироваться не только в результате электрических разрядов, но и в плазмах, инициированных лазерным излучением. С этой целью пучок импульсного высокомощного лазера наводится на неподвижную мишень, которая начинает испаряться. На основе большой плотности подводимой энергии образуются электроны и ионы, причем достигается очень высокая степень ионизации, то есть многие электроны отделяются от атомов. Такие ионы излучают коротковолновой свет и пригодны для создания рентгеновских лазеров, о чем подробно говорится в п.

1 1.2. Ионы могут присутствовать также в твердых телах в виде модулей кристаллической решетки либо так называемых примесных центров. Они обладают даже устойчивой формой, в то время как для ионов в газовых разрядах и других плазмах характерна рекомбинация с электронами, что вновь приводит к образованию атомов. Такие примесные ионы являются основой для создания важнейших типов твердотельных лазеров, обсуждаемых ниже (см.

главу 9). 5.1. Лазеры для коротковолновой области Энергетические состояния Е„самого крайнего («излучающегоя) электрона иона могут быть приблизительно описаны на примере близкой к водороду модели, согласно которой заряд атомного ядра за вычетом заряда внутренних электронов дает эффективное (зарядовое) атомное число У.

Согласно этой упрощенной модели, оптический электрон движется в поле точечного заряда, так что энер- гетические состояния — в соответствии с теорией атома водорода Бора — выра- жаются через: Еп= — (13,6 эВ) Х2/п2, (5. 1) где л есть главное квантовое число или, соответственно, номер орбиты. Для д = 1 имеют место описанные в п. 1.2 энергетические состояния атома водорода. Уравнение 5.1 и рис. 5.1 показывают, что электронная энергия ионов (У> 2) превышает электронную энергию атомов (У= 1).

Это объясняется тем, что из-за более высокого эффективного заряда атомного ядра оптический электрон в ионе связан сильнее, чем в атоме. Уравнение (5.1) можно признать точным только в отношении Н (атом водорода, У= 1), Не' (положительный однозарядный ион гелия, 2'= 2), Б"' (двухзарядный ион лития, д = 3) и других полностью ионизированных атомов.

Но и в случае других ионов можно наблюдать, что энергия электронов в среднем возрастает со степенью ионизации. Лим о я' 3 1 нм 2 — 13,6 1 -54 рае. К Ь Энергетические состояния электрона в атоме водорода (Н) и атоме гелия (Не") Генерация лазерного излучения происходит обычно между возбужденными состояниями атомов и ионов, так как инверсия относительно основного состояния создается лишь с большим трудом. Переходы между возбужденными состояниями в атоме водорода дают длины волн преимущественно в видимой и инфракрасной областях спектра.

То же касается и более сложных нейтральных атомов. В сравнении с этим, генерация коротковолнового, ультрафиолетового излучения возможна посредством переходов в возбужденных состояниях ионов, как это видно из рис. 5.1 для гелия. С атомами более высокой степени ионизации можно, согласно уравнению (5.1), получить еше более короткие волны (см. здесь и. 112 «Рентгеновские лазеры»). В дополнение к вышесказанному следует отметить, что атом гелия и ион ~~~94 Глава 5.

Ионныелазеры Не" до сих пор считаются не слишком подходящими для генерации лазерного излучения и приведены здесь исключительно в качестве наиболее простых примеров рассмотрения спектральных свойств излучения атомов и ионов. Более успешная генерация коротковолновых областей ионными лазерами (по сравнению с атомными лазерами) отчетливо проявляется также при параллельном рассмотрении ионного аргонового и гелий-неонового лазеров. Этот атомный лазер дает красную и зеленую линии, в то время как ионный аргоновый лазер генерирует зеленую, синюю и ультрафиолетовую линии. В заключение можно констатировать, что ион в среднем излучает более короткие волны, чем атом, Еще один путь генерации волн с длиной короче, чем у атома, состоит в применении молекул. Дело в том, что молекулы обладают такой же энергией электронов, что и атомы, но в результате колебаний основное состояние расщепляется или даже ставится нестабильным, как при эксимерах.

И тогда возможны лазерные переходы с большой энергией, соответствующей примерно энергии перехода в атоме водорода серии Лаймана. Подобные молекулярные УФ- лазеры рассматриваются далее в главе 7. 5.2. Ионные лазеры на инертном газе С помощью ионизированных инертных газов )Ме, Аг, Кг и Хе в газовых разрядах на более чем 250 линиях в спектральном диапазоне от! 75 до 1100 нм достигается генерация лазерного излучения. При этом, как правило, чем выше состояние ионизации, тем короче длины волн и тем больше энергия фотонов, поскольку отмечается все более сильная связь оптических электронов (см. п. 5.1).

Некоторые из лазерных линий возникают из переходов в инертных газах, иногда многократно ионизированных. Столь высокое состояние ионизации с необходимой плотностью ионов возможно только в импульсном режиме. Особое значение имеют непрерывные лазеры (си) в инертных газах, однократно и двукратно ионизированных.

Главным представителем такого типа является ионный аргоновый лазер, который в специальных исполнениях способен генерировать мощности выше 100 Вт в сине-зеленой области спектра и до 60 Вт в ближней ультрафиолетовой области. Это один из самых популярных лазеров коммерческого назначения. Криптоновый лазер с непрерывными (ся) мощностями в несколько ватт расширяет область спектра почти до инфракрасной зоны.

Самые интенсивные линии непрерывно действующих ионных лазеров показаны на рис. 5.2. Ионные аргоноеые лазеры Схема принципиального процесса генерации верхних лазерных уровней приведена на рис. 5.3 на примере аргона. В результате соударения электронов ионизируется атом аргона. Далее, после столкновения второго рода, ион аргона возбуждается в верхний лазерный уровень. Другие механизмы возбуждения заключаются в том, что населенность создается за счет распадов излучения вышележащих уровней либо электронно-столкновительное возбуждение проистекает из более глубоких метастабильных состояний иона аргона.

Характеристики

Список файлов книги