Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Самые интенсивные УФ-лазерные линии молекул приведены в таблице 7.1. тавааца тл. Длины волн важнейших молекулярных УФ-лазеров В качестве коммерческих систем наиболее популярны из этой серии азотные лазеры и установки на эксимерах. Благодаря высокому кпд почти такое же технологическое значение, что и СО,-лазеры для инфракрасного диапазона, приобрели, в частности, галоидные лазеры на инертном газе — для ультрафиолетовой области спектра. 7.1. Азотные лазеры Х,-лазер есть в техническом смысле довольно простая система, и во многих лабораториях его нередко создают собственными силами.
Такой лазер способен генерировать короткие импульсы с частотой повторения около 100 Пц причем 7!.А, ро 72777 длительность импульсов у лазеров атмосферного давления находится в нано- или субнаносекундном диапазонах. Линия самой высокой интенсивности находится в ультрафиолетовой области спектра при длине волны 337 нм, и она годится для накачки лазеров на красителях. Другие области применения небольших )х),-лазеров могут быть отнесены к той сфере, где прежде использовались источники УФ-излучения, — в частности, при исследованиях флуоресценции. Недостатком лазеров такого типа является низкая способность газов к сохранению энергии, так что импульсная энергия ограничена несколькими десятками мДж. Поэтому в качестве альтернативы часто используются лазеры Хд; НАГ с удвоенной частотой, которые генерируют обладаюшие большой энергией импульсы в ультрафиолетовом диапазоне. Коэффициент полезного действия )х)2-лазера составляет менее 1 %.
Схема энергетических уровней У азотного лазера излучение исходит из СвП вЂ” В2П вЂ” переходов (рис. 7.1). Главная линия с длиной волны 337,1 нм образуется в результате перехода между колебательными уровнями с ц = О. На основе переходов между другими колебательными уровнями тех же электронных состояний могут возбуждаться (с меньшей интенсивностью) другие длины ультрафиолетовых волн.
Кроме того, при участии прочих электронных состояний возможно излучение в инфракрасном диапазоне. а) 6) в ровень 40 лв зер 7,1 нм 10 он бильно ие о. 5 Ф Е 777 Основнае состояние 1,0 1,4 1,8 Меиьядерный интервал, 10 и и: лтл = нм. лс = нс Рвс. 7.1.
(в) Упрошенная схема уровней азотного лазера. Главная линия образуется в результате переходов между самыми н из хи и и колебательными уровнями С- и В-состояний. (5) Подробная схема энергетических уровней Коэффициенты усиления 6 = 1О" и выше возможны при длине разряда в 1 м (100 дБ/м), так что сильное излучение достигается и без оптической обратной связи с зеркальным отражением. Сверхизлучение такого рода может обладать небольшой расходимостью и шириной спектральных линий подобно лазерному пучку.
Но ( 128 Глава 7. Молекулярные 3Ф-лазеры благодаря применению лазерных зеркал (100 % и примерно 8 %) удается повысить качество пучка и энергию импульсов. Процесс возбуждения азотного лазера довольно неблагоприятен, ибо верхнее лазерное состояние имеет значительно более короткое время жизни, чем нижнее состояние. Для генерации лазерного излучения верхнее лазерное состояние (С'П„) в быстрых импульсных газовых разрядах в результате электронного столкновения очень эффективно населяется из основного состояния. Время жизни этого С-состояния составляет 40 нс, и оно существенно короче времени жизни В-состояния с его 1О мкс, когда заканчивается лазерный переход. Это время жизни может возрастать — в результате передачи энергии из вышележащих М,-уровней и столкновений с другими )Ч,-молекулами — до 10 мс.
Инверсия населенностей достигается поэтому только в импульсном режиме. Для этой цели необходим импульсный разряд с высоким напряжением и высоким током — с периодом нарастания, который будет короче времени жизни на верхнем лазерном уровне (40 нс). Так как нижний лазерный уровень почти не населяется в результате электронного столкновения, можно создать временную инверсию населенностей. Импульс лазерного излучения возникает в наносекундном диапазоне. Поскольку при этом заселяется нижний В-уровень, генерация лазерного излучения при более длительном возбуждении просто срывается (зе11-1епп(па11оп). Этот уровень спонтанно распадается в метастабильное А-состояние, которое может обладать достаточно долгим временем жизни — до нескольких секунд.
Этим предотвращается опустошение нижнего лазерного уровня, а частота следования ограничивается примерно 100 Гц. Более высокие частоты требуют быстрого газообмена. Конструктивное исполнение Разряд у азотного лазера направлен обычно поперек направления излучения (рис. 7.1). Конструкция такого лазера сильно напоминает лазеры на эксимере, которые нередко функционируют с азотным наполнением, как и Х,-лазер.
Большинство азотных лазеров нуждаются в непрерывной прокачке газа, для чего используется обычно вакуумный насос. Из газов выбирается обычно чистый азот стандартного качества. Оптимальное давление заполнения )к(, зависит от геометрии разряда и находится в диапазоне от 3 1О' до 10' Па. В схемах, действующих на основе атмосферного давления, вакуумной системы не требуется. Длительность импульсов определяется давлением и составляет около 0,3 нс при атмосферном давлении и до 20 нс при рабочем давлении в несколько десятков Па. В случае )Ч,-лазерных систем коммерческого назначения достигается энергия до 1О мДж при частоте следования импульсов до 10 Гц.
Энергия в импульсе находится в диапазоне от кВт до МВт. Лазерные переходы осуществляются между несколькими вращательными состояниями, так что спектральная ширина полосы составляет около 0,1 нм. Длина когерентности равна примерно 1 мм. Как и у других лазеров с высоким коэффициентом усиления, пучок азотного лазера не отличается особым качеством. Он не поляризован и состоит из многочисленных продольных и поперечных мод. У лазеров более высокой мощности поперечное сечение пучка — в силу поперечной формы разряда — прямоугольное, г.г.г „,, р, Д например, с плошадью поперечного сечения б мм х 30 мм (рис. 7.2). Расходимость пучка составляет несколько мрад.
Более крупногабаритные азотные лазеры требуют постоянного протекания газа со скоростью от О,1 до 40 л/мин. Для коммерческих азотных лазеров, как правило, предусматривается воздушное охлаждение, за исключением таковых с высокой частотой следования импульсов. Технология изготовления лазерных головок не слишком сложна, а вот монтаж необходимых электросхем с тиратронами, включающими 30 кВ за 20 нс, требует определенного опыта. Электропитание для искрового разряда Источник удг-излучения Заднее лазерное зеркало Электроды Электропитание для лазерного разряда Рвс.
тд. Чертеж в разрезе: лазер поперечной накачки (азотный или на зксимере) с искровым разрядом для УФ-предыонизапии 7.2. Лазеры на зксимере «Эксимерамнк именуют молекулы, не обладающие устойчивым основным состоянием. Этот термин был введен как сокращение от англ.
ехсйед бтгпег, что означает: двухатомная молекула, лишь на короткое время приобретающая астабильность» в возбужденном состоянии. Когда эта молекула отдает свою энергию возбуждения через излучение и тем самым возвращается в основное состояние, она вновь распадается на свои два атома.
Таким образом, по сравнению с возбужденным состоянием, основное состояние обладает чрезвычайно коротким временем жизни. У лазеров на эксимере это нестабильное основное состояние одновременно является нижним лазерным уровнем, что представляется весьма благоприятным, учитывая короткое время жизни для перенаселенности. В лазерах используются, в частности, галоидные соединения на инертном газе, как то: АгР', Кто, ХеС1"', Хере и димеры инертного газа — Аг*,, Кг',. Индекс )х 130 Глава 7. Молекулярные УФ-лазеры * показывает, что речь идет о молекулах с электронным возбуждением, существующих лишь совсем короткое время в основном состоянии либо вообще не имеющих такового.
Инертные газы в основном состоянии не входят в химические соединения. Поэтому, еще до разработки лазеров на эксимере, скрупулезно изучалась смесь инертных газов с химически агрессивными молекулами, гало- генами в электрических разрядах, где образовывались ионы и возбужденные состояния. При этом обнаружилось интенсивное УФ-излучение, которое и послужило базой для создания лазеров на эксимере. Последние способны выдавать обладающие большой энергией импульсы с УФ-диапазоном выше 1 Дж при средней мощности более 300 Вт.
В коммерческих лазерах на эксимере используются почти исключительно галоидные соединения на инертном газе с длиной волны от 193 до 351 нм. Похожим образом сконструированы и г,-лазеры, способные излучать волны длиной 157 нм. По своему исполнению лазеры на эксимере сравнимы с азотными лазерами и СО,-лазерами атмосферного давления с поперечной накачкой. Хотя коррозионноактивные галогены применяются в виде газов, этот тип лазеров пользуется достаточно большой популярностью. В настоягцее время это одно из самых распространенных коммерческих устройств в УФ-диапазоне, имеющее многочисленные промышленные, медицинские и научные применения.
Энергетические уровни Энергетические состояния двухатомных эксимерных галогенидов инертных газов, используемых для генерации лазерного излучения, показывает рис. 7.3а. Там представлена энергия молекул, или потенциал в зависимости от межатомного расстояния. При этом Я означает атом инертного газа, а 71 — атом галогена. и+и х т,— Мвжьлдерный интервал Рве. 7.3в.
Энергетические состояния типичного эксимерв (К = инертный гвз, Х = галоген) Кг++ г+еп уравнение (7.2), П5 = НС, Р5 = ПС кг е' 7пв Кг" + Е, уравнен Ряс.тзб. Упрощенная схема энергетических уровней дяя Кгр'-лазера Шкала потенциала основного состояния 22, очень плоская либо демонстрирует слабый минимум. Для ХеС1* глубина потенциальной ямы примерно равна тепловой энергии йТ, так что молекулы термически нестабильны и спонтанно диссоциируют.
Как видно из рис. 7.3а, основное состояние расщеплено на 2, и П-уровни, причем кривая П-потенциала показывает сильное отталкивание. Согласно таблице 1.5 при 2,-уровнях полного орбитального момента в направлении оси молекулы имеем: Л = О, а при П-уровнях: Л = 1. Возбужденные состояния 22. и 'П у КгГ* обнаруживают низкие минимумы, в которых атомы обладают определенным равновесным интервалом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
