А.Н. Матвеев - Оптика (1120557), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Излучение поглощается ионами Сг+, переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сг очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е,, Е( (рис.
286). При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фононов. Уровни Е, и Е» метастабильны. Время жизни на уровне Е» рамю 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е» и Е( накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Ее. Кристалл рубина вырицивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина Е 5 см, диаметр»( 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью (рис 287, а). Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим.
Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки. Один из концов рубинового кристалла срезан так (рис 287, 6), по от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение лу а обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углам Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией.
Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано. гелий неон — 3390нм Шзр 632,8 им 225 — 25= — Уй ~~ — = 2Р ) э5 2бб Схема энергетичеенах Гриеиеа»елин н неона 2бз Схема геена-иеаниеа»е лепра 2РЕ Милн нелебаииб мелеизлм СО» енмметричиее раетамеиие(а)Э иэгиб (б); и*еимметричнее рмгаменне (а) н — 1» 1 (000 со 291 Сьена ееееьеььеееооа ьомоьей е ОО-ааьегь 292 Г мое ьаееньопь Сп,-ьоь его оон Не 292 Озава орое еооьо СО -лаьеее Гелий-наоновььй лазер.
Активной средой является газообразная смесь гелия и неона Гснерапня осу1поствляезся ы счсг пс- ПСХОЛСВ МсжЛУ ЗНСРГСтичЕСаПМН УРЬьВПЯМЫ ПЕОПа, В 1ЕЛНй Ньпае» роль посредника. черсь который энергия псрсластся атомам 1'соне лля сож1ання ннвсрсной зассленносзп, Неон, в принципе, может генерировать лазерное излучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с 632,8 нм, 1,!5 и 3,39 мкм (рнс. 288). Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра. а 1,15 и 3,39 мкм — в инфракрасной. Прн пропускании тоза черш гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 2зо и 22,х которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора.
При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невоэбужденным атомом неоняь энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 35 и 29 неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 3Р и 2Р, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Типичная схема гелии-неонового лазера показана иа рис 289. Концы лазерной трубки закрыты соответствующим прозрачным материалам так, чтобы аксиальные моды падали на него под углом Брюстера Благодаря этому обеспечивается полное пропускание одной из поляризаций света н устранение из пучка другой Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано.
Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона — 66 Па Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порклка 0,9991, а второе, через которое выходит лазерное излучение, — около 0,990 В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики (см. 6 29), поскольку более низкое коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации. СО2-лазер с замкнутым объемом.
Молекулы углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр:, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Молекула СОг является линейной с центром симметрии. Она имеет трн фундаментальные моды колебаний (рис. 290). Энергия квантов фундаментальных мсц колебаний равна: а) 1/).1=!337 ем ', б) 1/)2 =667 ем '; в) 1/82=2349см В каждой моде может быть один илн нссколью квантов. Колебательные состояния молекулы обозначаются количеством квантов в соответствующей фундаментальной моде колебаний. Например, (010) означает, что симметричные и антнсимметрич- 324 ные колебания Й возбужденьс а в изгибной моде имеется один — квант.
Используемый в СОг-лазере переход дает излучение 10 с длиной волны 10,6 мкм, т. е лежит в инфракрасной области спектра Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до !0,8 мкм. Энергия молекулам СО, передается ог молекул азота 1чг, которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тозв через смесь Схема уровней показана на на рис 291. Возбужденное состояние молекулы азота Хг является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см ', что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы СОг. Ввиду метастабильносги возбужденного состояния Мг п)и прохождении тока число возбуяденных атомов накапливается. При столкновении Хг с СОг происходит резонансная передача энергии возбужцения от )з(г к СОг.
Вследствие этого возникает инверсия заселенностей межву уровнями (001), (100), (020) молекул СОг. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большее время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (1 33 Па) и углекислою газа (1ЗЗ Па). При работе СОг-лазера происходит распац молекуя СОг иа СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С иО, а углерод осаждается на электродах и степках трубки. Все это ухудшает работу СОг-лазера.
Чтобы преодолеть вредное действие этих фактород в закрытую систему добавляют пары волы, которые стимулируют реакцюо СО + О- СОг. Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции Для увеличения запаса акгивнсй среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими СОг, Хг, Не, которые в необходимом количестве добавляются в объем резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера (рис 292). Такой закрытый СО,-лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.
Праточный СОг-лазер. Важной модификацией является прочный СОг-лавен в котором смесь газов СОь г'г. Не непрерывно прокачивается через резонатор (рис. 293) в аксиальном "а"Равченин Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше % Вт на метр длины своей активной среды. Т-лазер Во многих практических приложениях важную роль играет СОг-лазер, в котором рабочая смесь наггодится по)г атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер; рис 294).
Поскольку электролы расположены параллельно ош резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, по лает возможность работать гря Схема тсчзэзеуэ, ещрирг зажег е прз этмосфзрион лээлскэм 4) селима»я нод в лазера» осуществляете» посредствон нэненения добротности резонатора для колебаний, соатзетствующм» розничным нодон.
Это дает возножнасть регупмровать чмсзю н хараитеристнкн нод в излучении позера и нзненять частоту излучения, если селекция нод возможна в достаточно мзмрокон интерваяе частот. Почему т-лазер может успехи но работать ир» атносфернон давлении рабочей снеси! Какой механмзн создания инверсной засепемиост» используется в газодннаническм» ла° ерахг Кокни методом осуществляется селекан» нод э лазерах ма «расмтепи»! 299 Олеин мзолнанппеееногп лазера )Е, )е, 29О о*ежа знергезнеееплт зренз~ея ло'г 'прозе нрнепгелн 297 Метал отбора еаетот Ллн генернннн е лазере не «раентеле в импульсном режиме щи атмосферном давлении, когда концентрация СОЕ в резонаторе велика. Следовательно:, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс.
Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколью импульсов в минуту. Газодииамаческве лазеры. Нагретая до высокой температУРы (1000 — 2000 К) смесь СОЕ и )гГЕ пРи истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термолизуются с различной скоростью, в результате чего образестся инверсная злселеиность. Следовательно, образовав на выходе нз сопла оптический резонатор, можгю за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение (рис 295).
Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическнми. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме. Лазера иа красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно (рис 296). Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10 " — 1О "с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень калглой полосы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
