Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Энергии возбуждения атома гелия достаточно для ионизации кадмия. После столкновения ион Сд находится в возбужденном 5х'-состоянии (рис. 5.6). Избыточная энергия в качестве кинетической энергии подводится к электрону, возникшему в результате процесса ионизации. В случае Не-Бе-лазера возбуждение осуществляется путем столкновения с ионами гелия, которые образуются в газовом разряде. Верхние лазерные уровни населяются на основе перезарядки между атомом Ве и ионом Не.
Ион гелия при этом переходит в атомное основное состояние, в то время как селен ионизируется и переводится в 5р-состояние. Возбужление посредством перезарядки происходит и в Не-Сд-лазере. Возбуждение кадмия и, соответственно, селена осуществляется в тлеющих разрядах с гелием в газоразрядных емкостях из кварцевого стекла либо в полых катодных разрядах. В первом случае давление паров металла создается путем нагрева (Сд: 350 'С, 8е: 270 'С) металлического резервуара вблизи анода (рис.
5.7). В результате катафореза, то есть обусловленного разрядом дрейфа ионов металла в направлении катода, в разрядной трубке устанавливается равномерное давление паров металла около 8 Па. Активная длина газоразрядных трубок достигает 1 м. Эти трубки обладают радиусом около 1 мм или больше. При давлении гелия порядка 800 Па для функционирования Не-Сд-лазера потребуется разрядный ток около 150 МА, а для Не-8е-лазера — 500 мА. Коэффициент усиления для СдП-линии 441,6 нм при таких условиях в режиме с изотопом Сб (и "Сд) составит примерно 1,2, а для линии 325,0 нм — 1,05. Соответствующие коэффициенты усиления Не-Ве-лазера равняются — в зависимости от линии — от 1,02 до 1,1.
53. и Р т тсз, т, с т ~~!аО~)) Перезарядка "Т Стоякновенне Пенннн к к о. о к с 5р сновное состояние зе1! ! комбинация на стенке Основное состояние Сдй Рекомбннацня на стенке ! Не 5е Основные состоя ння Рнс. 5.б. Схема энергетических уровней лля Не-Сф н Не-Яе-лазеров (СЛ1 н 8е11 символизируют ионы Сде н Бе+) вне. 5л. Конструктивное исполнение Не-Сс1- н Не-Бе-лазеров [12!. Катод расположен с таким расчетом, чтобы мог пройти пучок лазера. Анодом может быть, например, концевой фланец Гелий-селеновые лазеры коммерческого назначения с выходной мошностью от 1 до 5 мВт используются в диапазоне длин волн от 460 до 650 нм, устанавливаемых с помошью соответствуюших зеркал.
Выходная мощность коммерческих гелий-кадмиевых лазеров составляет при 325 нм от 1 до 8 мВт„а при 4411,6 нм достигает 60 мВт. На основе одновременной генерации красных„зеленых и синих линий удается получить белое лазерное излучение. Срок службы проплавленных Не-Сс1-лазеров составляет 6000 часов и больше, при работе в УФ-диапазоне он сокращается наполовину. Это ограничение объясняется в большинстве случаев загрязнением разряда, наличием отложений кадмия на оптике и в других местах, а также абсорбцией гелия. Коэффициент полезного действия находится на уровне примерно 0,01 %, как у Не-Хе- и Аг-лазеров. Для таких установок предусматривается, как правило, воздушное охлаждение. Гелий-кадмиевый лазер обычно находит применение там, где не приемлем цвет гелий-неонового лазера или не хватает его мощности.
Это может быть, например, сфера информационной и измерительной техники, голография или флуоресцентный анализ. Это более дешевое исполнение, обладающее меньшей шириной линий, чем ионный аргоновый лазер сравнимой мощности. Другие лазеры на ларах металла Генерация лазерного излучения может достигаться и в ряде других ионов в парах металла„причем в случае тяжело испаряющихся металлов предлагаются полые катодные разряды. При этом пар металла образуется в результате столкновений ионов инертного газа с металлическим катодом (англ. зрццеппз), Ионы инертного газа формируются в газовом разряде, так что здесь не требуется нагрева для испарения металла. Особый интерес представляют Хе-Сц- и Не-Ая-лазеры — единственные из лазеров непрерывного действия, способные генерировать в области спектра до 220 нм. Хотя, в частности, ионные Сп-лазеры изучены достаточно глубоко и пригодны для реализации выходной мощности до 1 Вт, они до сих пар практически не используются в коммерческих целях из-за их, пока еше очень короткого, срока службы.
ЗАДАЧИ 5.1. Какова напряженность магнитного поля, и как оно воздействует на электроны в аргоновых лазерах? 5.2. Допустим, аргоновый лазер имеет следующие характеристики: — плотность электронов р = 1Он см', — плотность тока 1= 1О' А/см', — напряженность поля Е=4 В/см. Лазерная трубка обладает диаметром 1,5 мм и длиной 80см. Определить величины: (а) напряжения, (б) электрического сопротивления и (в) средней скорости движе- ния электронов. 5.3.
Дзя охлаждения аргонового лазера 5 Вт с кпд 0,05 % расходуется 10 л воды в минуту. Вычислить повышение температуры охлаждающей воды. 5.4. Ап-лазер имеет энергию в импульсе 2 мДж, длительность импульсов 20 нс и частоту импульсов 6 кГц. Рассчитать величины средней и пиковой мощности. 5.5. Определить на основе лазерных линий, какие газовые лазеры способны генерировать смешанное белое излучение. 5.6.
(а) Почему мощность аргоновых и криптоновых лазеров возрастает почти квадратично току? (6) Относится ли это также к ионным лазерам на парах металла? ГЛАВА б МОЛ ЕКУЛЯ РН Ы Е ИНФРАКРАСНЫЕ ЛАЗЕРЫ (ИРАЗЕРЫ) Лазерное излучение в инфракрасной области спектра генерируется часто с помощью газовых лазеров. Для ИК-лазеров (иразеров) используется, прежде всего, излучение молекулярных газов. При излучательных переходах между вращательными энергетическими уровнями молекулы, колебательное состояние которых остается неизменным, возникают относительно небольшие разности энергий.
Соответствуюшие длины волн составляют от 25 мкм до ! мм, В этой связи говорят о лазерах дальнего инфракрасного диапазона (см. п. 6.1). Разность энергий между колебательно-врашательными уровнями одного и того же электронного состояния будет больше, поэтому длина волны лазерного излучения данного типа соответственно меньше и составляет от 5 до 30 мкм (см. п. 6.2). Особенно популярен СО,-лазер„генерирующий длину волны 10 мкм. Если лазерные переходы происходят между разными электронными уровнями, то длины волн находятся в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Особую важность представляют в данном случае азотные лазеры и лазеры на эксимере (см. главу 7).
б.1. Лазеры дальнего ИК-диапазона Диапазон длин волн от 50 мкм до 1 мм (субмиллиметровые волны) обозначается как «дальний ИК-диапазон». Лазеры дальнего ИК-диапазона обладают типовыми выходными мощностями от 100 мВт до 1 Вт и используются, прежде всего, для спектроскопических исследований и прочих научных целей.
В целом же следует отметить, что лазеры дальнего ИК-диапазона не имеют широкого применения, так что мы ограничимся здесь лишь краткой информацией. Позеры с оптической накачкой Лазеры дальнего ИК-днапазона нередко имеют оптическую накачку. Всего известно, в обшей сложности, несколько сотен разных линий излучения. Для ясности рассмотрим соответствующую конструкцию на примере СН,Р-лазера (на фториде метана) с накачкой линией 9,55 мкм от газового СО,-лазера (рис.
6.1). Излучение накачки вводится в резонатор по наклонной, а для выхода пучка из резонатора может использоваться полупрозрачное зеркало связи. Относяшиеся сюда данные мощности приведены в таблице 6.!. Прочие примеры систем дальнего ИК-диапазона с лазерной накачкой приведены в таблице 6.1. Так, метаноловый лазер (СН,ОН) генерирует в очень широком диапазоне длин волн от 40 до 1200 мкм и имеет достаточно широкое применение. (к~)0хх4 Глава 6. Молекулярные инфракрасные лазеры (иразеры) Для коммерческого использования предлагаются лазеры дальнего ИК-диапазона в комплекте с необходимыми для них лазерами накачки (см.
таблицу 6.2). Квантовая эффективность для преобразования излучения накачки в лазерное излучение составляет от нескольких % до 30 %. Коэффициент полезного действия в пересчете на мощность будет несколько ниже, так как фотоны дальнего И К-диапазона обладают меньшей энергией, чем кванты излучения накачки. сеткой зеркало связи внход Зеркало для 49б мкм Рме.
6 К Схематическое представление СНЗР лазера дальнего И Кдиапазона (по данным Кнойбюля и Зигриста) с накачкой от СО,-лазера таблица бд. ПрИМЕрЫ СВОйетВ ЛаЗЕрОВ даЛЬНЕГО ИК-днаПаЗОНа (по данным Гехта) Схема энергетических уровней с самыми интенсивными лазерными переходами представлена на рис. 6.2. Здесь уесть вращательное квантовое число, а К вЂ” квантовое число, показывающее составляющую орбитального момента на ось симметрии молекулы СН,Е 4=12 и 499 МКМ 941 МКМ 999 МКМ Первое колебательное состояние ч = З 19 9 Накачка от Соелазера Рмс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
