Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Как предполагается, все три процесса вносят существенный вклад в заселенность верхнего лазерного уровня, причем, например, на долю каскадных переходов из вышележащих уровней приходится от 25 до 50 %. Спектр излучения криптона 500 400 500 б00 700 800 900 Длина волны,нм -к Рис. 5д. Интенсивные линии непрерывно действующих ионных лазеров на инертном газе „- 15, лт Соударение электронов ,1 АП вЂ основное состоян Рис. 5.5. Энергетические уровни и процесс накачки у аргонового лазера. (АгП есть спектроскопическое обозначение для иона Аг') о. 3 Ф и .я ч о к в о к Ф й р я ч о г.г. и .р „ , р , ф '59655.и Как видно из рис.
5.3, верхний лазерный 4р-уровень 35,7 эВ располагается над основным состоянием атома аргона, а 20 э — над ионом аргона. Таким образом, возбуждению могут способствовать только обладающие большой энергией электроны с получением невысокой квантовой эффективности порядка 10 %. Эти данные относятся к основному состоянию иона аргона, так как он может вновь возбуждаться в разряде. Нижний лазерный 45-уровень быстро опустошается в результате излучательного перехода (72 нм) с временем жизни 1 нс. В сравнении с этим, время жизни в верхнем 4р-состоянии продолжительнее на 1О нс.
Короткое время жизни на нижнем лазерном уровне обеспечивает совсем небольшую населенность, вследствие чего инверсия может осуществляться, несмотря на относительно слабое возбуждение верхнего лазерного уровня. Так как состояния 4р и 4з расщеплены, образуется большое число лазерных переходов с разными интенсивностями. На рис. 5.4 показано 10 лазерных линий, самые интенсивные из которых находятся в диапазоне длин волн 488,0 нм (синяя) и 514,5 нм (зеленая).
В коммерческих лазерах достигаются мощности этих линий более 1О ватт (см. таблицу 5.1). 1/2 3/2 4р П 7/2 1/2 4а2р ~ 3/2 Рае. 5.4. 4р — 9 45 — переходы аргоноаого лазера По причине двухступенчатого электронно-столкновительного возбуждения мощность аргонового лазера возрастает почти квадратично току. Для аргонового лазера высокой мощности обязательны — в силу необходимой ионизации и возбуждения — большие токи на малых поперечных сечениях. Безусловно, это потребует гораздо более серьезных — по сравнению с гелий-неоновыми лазерами — технологических затрат.
При дальнейшем повышении плотности тока аргон может быть ионизирован дважды. Для этого требуется энергия в 43 эВ. Примерно на 25 — 30 эВ выше основного состояния Аг" существуют дальнейшие лазерные уровни, которые генерируют ультрафиолетовое излучение с 334, 351 и 364 нм. У лазеров в специальном исполнении мощность может составлять несколько ватт. Такие ультрафиолетовые аргоновые лазеры довольно дороги, ибо для них требуется специальная оптика, а также обязательны повышенные плотности тока и силь- ные магнитные поля.
\г.к„, „,е „,.р ° юф таблица 5Л. МОЩНОСТЬ ИОННОГО аРГОНОВОГО ЛаЗЕРа 20 Вт ПРИ РаЗНЫХ ЛИНИЯХ излучения Конструктивное исполнение Для эффективного возбуждения линий Аг' в разряде требуется плотность электронов 1Ом см '. Эта величина достигается при плотности тока до 10' А см ' в дуговых разрядах низкого давления. Напряженность поля вдоль разряда составляет порядка 4 В ем '. Температура нейтрального газа может достигать 5 10' К.
Высокие плотности мощности требуют значительных технических затрат при конструировании лазерных трубок. В большинстве случаев речь идет о керамической трубке с водяным охлаждением, например, из ВеΠ— вещества, обладающего высокой теплопроводностью, почти как у алюминия. В других вариантах исполнения разряд проводится через снабженные отверстиями вольфрамовые диски, отводящие тепло на трубку посредством держателей из меди (рис. 5.5).
Сегодня в большинстве случаев находят применение трубки именно из ВеО. Так как порошок ВеО сильно ядовит, утилизация таких трубок требует максимальной осторожности с привлечением специализированных организаций. т~тхтх тх', Электромагнитная катушка Водяное охлаждение Г Вольфрамовая вст Медный перфорированный ическое кольцо ерамическая трубка — к — к — к — -к — т — е кк, Электромагнитная катушка Водяное охлаждение Рве. 5.5. гйзоразрядная трубка для ионного аргонового лазера Благодаря своей высокой плотности электроны отжимаются радиально наружу, что приводит к понижению плотности тока.
Этот эффект компенсируется за счет внешнего магнитного поля, создаваемого с помощью длинной катушки вокруг лазерной трубки. На электроны воздействует лоренцева сила, направленная перпендикулярно оси и радиальной составляющей движения, В результате этого движение из радиального направления отклоняется на круговую или спиральную траекторию, и разряд концентрируется как раз на оси. Это смягчает влияние плазмы на материалы лазерной трубки, что значительно повышает срок ее службы.
Дополнительно увеличиваются скорость накачки и коэффициент полезного действия лазера. Высокие токи берутся из обогреваемых напрямую запасных катодов, а анодами могут служить охлажденные конструктивные элементы из меди. При наличии больших токов в разряде происходит передача импульсов от электронов газу, и осуществляется дрейф газа в сторону катода. Для выравнивания возникающих градиентов давления вдоль трубки в медных дисках выполняются специальные отверстия.
Газ в ионном лазере истощается, ибо разряд гонит ионы прямо в стенку. У коммерческих лазеров эта потеря газа компенсируется автоматически — из присоединенного резервуара. Давление газа находится на уровне 1 — 100 Па, причем, в отличие от многих других типов лазеров, здесь используется не смесь газов, а чистый аргон. В отличие от гелий-неонового лазера, экранируюшие эффекты не играют роли в создании инверсии населенностей, и здесь возможна лазерная трубка большого диаметра. Коэффициент усиления для линии 488 нм при длине 50см примерно составляет: 6= 1,35. С учетом качества пучка его диаметр ограничивают величиной от 1,5 до 2 мм.
Коэффициенты полезного действия здесь обычно менее 10-' Благодаря применению лазерных зеркал с отражением в широком диапазоне одновременно достигается излучение на разных линиях. Для селекции отдельных длин волн используется брюстеровская призма в лазерном резонаторе. Во избежание потерь отражения при такой призме лучи падают на призматические поверхности под углом Брюстера (это угол полной поляризации). Другая сторона призмы ориентирована перпендикулярно пучку лазера, преломляемого на первой поверхности. Вертикальная задняя поверхность имеет высокое зеркальное покрытие.
В зависимости отдлины волны имеет место разное отклонение пучка в первой поверхности. Путем поворота призмы могут устанавливаться различные линии. Типовые мощности для коммерческого лазера 20 Вт с селекцией по длинам волн и без таковой представлены в таблице 5.1. Из-за высокой температуры в области разряда ширина линии составляет — по причине доплеровского уширения — до 6 ГГц. Без частотно-селективных элементов длина когерентности находится в сантиметровом диапазоне.
Для применения в сфере голографии это значение увеличивается с учетом внутрирезонаторного эталона. В этом случае ширину полосы можно сократить до 5 МГц. Почти все коммерческие лазеры на инертном газе генерируют на основной ТЕМм моде. Несмотря на значительную нагрузку трубки со стороны высоких токов, ее срок службы достигает многих тысяч рабочих часов.
Ионные криптоноеые лазеры Разрядная трубка для криптоновых лазеров по своей конструкции очень похожа на трубку аргонового лазера. Но так как здесь во время работы газ истощается быстрее, чем у аргонового лазера, придется позаботиться о газовом резервуаре большей емкости.
Самая интенсивная линия криптонового лазера находится на уровне 647 нм (красная) с мощностями в несколько ватт. Интенсивность прочих линий в значительной мере зависит от давления. Поэтому лазеры, допускающие селекцию отдельных линий, располагают активным контролем давления. Линии лазера Кг' лежат между 337 и 799 нм (рис. 5.2). Умеренный кпд ионного лазера на криптоне требует более высокой плотности тока, чем это имеет место у аргонового лазера идентичной мощности. Дополнительно следует упомянуть усиленное рассеяние, поскольку ионы Кг тяжелее и обладают большей энергией. Поэтому большинство лазеров этого типа охлаждается водой, в то время как ионные аргоновые лазеры меньшей мощности обходятся воздушным охлаждением. Области применения Ионные лазеры на инертных газах относятся к разряду стандартных устройств для видимого непрерывного излучения в диапазоне от нескольких милливатт до 50 ватт.
Особое значение аргоновые и криптоновые лазеры имеют при этом в красной и сине-зеленой областях спектра. Эти лазеры находят применение везде, где Не-Яе- и Не-Сд-лазеры оказываются недостаточно мощными. Особенно важным представляется их использование при лечении глаз в целях обработки сетчатки и для других медицинских целей. Среди прочих областей применения можно назвать полиграфическую промышленность (для экспонирования, изготовления видео- и аудиодисков), высокоскоростные лазерные принтеры, а также голографию. В результате смешения аргона и криптона получаются линии между красным и синим, которые могут смешиваться до достижения белого цвета: такие лазеры весьма популярны в создании разнообразных лазерных шоу.
Кроме того, ионный аргоновый лазер используется для накачки лазеров на красителях и титан-сапфировых лазерных систем. При этом — путем соответствующей синхронизации мод — могут генерироваться импульсы в пико- и фемтосекундном диапазонах. Непрерывно перестраиваемые (св)-лазеры также подлежат накачке с применением аргоновых лазеров. 5.3. Ионные лазеры на парах металла (Сд, Бе, Си) Наряду с ионными лазерами на инертных газах существуют и некоторые другие газовые лазеры, функционирующие на основе переходов в ионах.
Впрочем, техническое значение из этого ряда имеет, пожалуй, только Не-Сд-лазер — представитель систем на парах металлов. Поскольку металлы у такого рода лазеров испаряются, то речь идет, в принципе, о газовых лазерах. Не-Сб- и йе-5е-лазеры Непрерывное излучение в областях спектра от инфракрасной до ультрафиолетовой может быть достигнуто с помощью ионов кадмия и селена. Для возбуждения (ч ! 00 Глава 5. Иаииые лазеры лазерных уровней и генерации газового разряда эти лазеры дополнительно содержат еще и гелий. Из переходов в Сд-ионах (Сд+ = Сд Н) наблюдается 11 лазерных линий от 887,7 до 325,0 нм, а в Бе-ионах (Бе+ = Бе Н) 46 лазерных линий от 1258,6 до 446, 8 нм.
Самые интенсивные лазерные линии и соответствующие переходы приведены в таблице 5.2. тввлннв здь Длины волн Не-Сд- и Не-Бе-лазера Мощность коммерческих лазеров Ион Порвхол Линна волны (нм) 6в'О,л †>4РР,'а 5Р'ГР», — х АР,л 5лз хРм, — ч 5р'Рв,, Сд П СдП Бе П 8е П БеП Бе П Яе П Бе П Сх( П Сд П 636,8 (красная) 537,8 (зеленая) 530,5 (зеленая) 525,3 (зеленая) 5!7,6(зеленая) 506,9 (снне-зеленая) 499,3 (снняя) 497,6 (снняя) 44 1,6 (снняя) 325,0 (ультрафиолетовая) !00 мВт !0 мВт На рис. 5. 6 показана схема уровней для Не-Сд- и Не-Бе-лазеров. Возбуждение верхних лазерных уровней Сд-линий осуществляется на основе столкновения Пеннинга. Здесь атом Сд сталкивается с атомом Не, возбужденным на мета- стабильном уровне примерно до 20 эВ, причем атом Не переходит в основное состояние.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
