Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 18
Текст из файла (страница 18)
1.2), т. е. нижние уровни заселены больше вер них (111 ( й( ). х ,). Поэтому обычно процессы поглощения преобладают над процессами вынужденного излучения фотонов. Для получения лазерного излучения, напротив, требуется преобладание процессов вынужденного излучения,т. е. необходима инверсия (обращение) населенностей на метастабильном уровне (й(е ) й) ).
Обозна и Е е 1 О означим Е,„, энергию вынужденного излучения, генерируемого на частоте уаг в единице объема активной среды в единицу времени; тогда Евах = (ЦВрч ЦВрч) йма1 = ВрчЛИ1раа. Т ки аким образом, выходная энергия лазерного излучения зависит от инверсии населенностей ЬА1 = А1а — й(1. Чтобы создать инверсию населенностей, нужно позаботиться о преимущественном заселении верхнего метастабильного уровня. Это выполнимо при условии более интенсивного заселения метастабильного уровня либо более интенсивного опустошения нижнего лазерного уровня. Т рудность в осуществлении инверсии населенностей явилась главной причиной столь позднего рождения квантовой электроники (1954 г.) как науки, хотя фундаментальное физическое явление, лежащее в основе квантового усиления,— вынужденное излучение было открыто А.
Эйнштейном в 1917 г, (!3). Существо этой проблемы состоит в том, тб что всякая попытка нарушить равновесное состояние взаимодействующих друг с другом квантовых частиц встречает противодействие, так как в активной среде возникают квантовые переходы, которые стремятся вернуть квантовую систему в состояние термодинамическо о р г авновесия, т. е. осуществить процесс релаксации. В настоящее время предложены многие методы накачки активной среды. Помимо оптической накачки, которой отдадим особое предпочтение (см.
п. 4,4), разработаны другие методы накачки, тесно связанные с характеристиками и свойствами активной среды. Пе ными из газовых были созданы лазеры, возбуждаемые самоподде живающимся электрическим разрядом, направленным вдо ер ы в оль оптической оси резонатора, и получившие название газоразрядн и. р д о Инверсия населенностей уровней в газоразрядных лазерах создается в результате прохождения через газовую активную среду электрического тока (табл. 4.!). Различают три типа газоразрядных лазеров, где в а в качестве активных частиц используются нейтральные аточастиц мы, ионы и молекулы газов. Механизмы возбуждения этих ч ра л з ичны.
В лазерах на нейтральных атомах основным механизмом возбуждения является неупругое столкновениеэлектронас атомом ( столкновения 1-го рода). Этот механизм используют для возбуждения атомов неона, аргона, криптона и ксенона, а также паров свинца, марганца, меди. Другим важным механизмом является резонансное возбуждение атомов — неупругое столкновение возбужденных атомов одного газа с атомамидругого (столкновения 2-го рода). Этот механизм эффективен тогда, когда энергия метастабильного уровня одного газа близка к энергии возбужденного уровня атомов другого газа. Характерным примером газовой активной среды, возбуждаемой таким образом, является смесь гелия с неоном ()йе 0,6328; 1,15 мкм).
Наиболее эффективным процессом возбуждения ионных лазеров непреры ывного действия является опустошение нижнего лазерного уров- ионов з счет спонтанного излучения и соударения возбужденных со стенками кювета. Высокая населенность верхнего лазерного ур овня обеспечивается в результате соударения ионов с быстрыми электронами в газовом разряде. Инверсия населенностей в молекулярных лазерах происходит под влиянием различных процессов (соударений молекул с быстрыми электронами, неупругих столкновений молекул различных газов в рабочей смеси, диссоциации и др.), которые качественно подобны процессам возбуждения лазеров на нейтральных газах.
Газовые лазеры могут возбуждаться не только продольным электическим разрядом, Большие мощности излучения обеспечивают газодинамические, химические, электроионизационные и ТЕА-лазеры (Тгапзуегзе1у Ехс)(ег(, А1шозЬег)с Ргеззцге). Жидкостные и газовые лазеры импульсного действия, работающие при высоком давлении, возбуждаются поперечным электрическим разрядом с плотностью тока около 300 А/сма. При поперечной импульсной накачке возбуждающее лазерное излучение накачки распространяется перпендикулярно к направлению полученного при генерации излучения. Накачивающее излучение от вспомогательного лазера на стекле с й)б имеет частоту лазерного перехода, либо более высокую частоту.
Широкополосная оптическая накачка вследствие узости линии поглощения для возбуждения газовых активных сред не применяется. Исключение из правила составляют газовые среды, молекулы которых диссоциируют под воздействием большой интенсивности света. Явление распада молекул под воздействием света называется ротодиссо2[иаг[ией (см. табл. 4.1): йч -1- АВ . А" -[- В, Для повышения давления в молекулярных СО,-лазерах используют электроионизационный метод накачки, при котором с целью получения быстрых электронов ионизирующее излучениейч + АВ ~~ А+ + + В- сочетается с внешним электрическим полем разряда: е + АВ ~ ~ ~АВ* + е; е + А+ + В А + В.
Эффективным методом заселения колебательных и вращательных состояний молекул является нагрев с последующим быстрым охлаждением активной среды. Для этого в активных центрах необходимо иметь соседние уровни энергии, на которых при тепловом ударе возникают различные скорости их заселения.
Типичным примером использования тепловой накачки могут быть газодинамические лазеры [241. В химических газовых лазерах инверсия населенностей возникает при экзотермических реакциях. Кроме теплового инициирования реакции, для получения инверсии населенностей наиболее часто применяют фотодиссоциацию, накачку электронным пучком, импульсом электрического разряда или гамма-излучением. 4.4. Система оптичаской накачки Процесс изменения распределения населенностей активных центров н получения неравновесного состояния на метастабнльном уровне актнвной среды под действием влектромагннтного излучения оптического днапазона длин волн называется онтичвоной накачкой. 'Наибольшее распространение в импульсном и непрерывном режимах работы твердотельных, жидкостных, химических и фотодиссоционных лазеров получили системы оптической накачки газоразрядными лампами, наполненными инертными газами Хе, Кг.
Некоторыа активные среды генерируют лазерное излучение при накачке ртутными лампами сверхвысокого давления, йодными лампами, лазерами и светодиодами. При оптической накачке нужно выполнить три условия. Во-первых, уровень резонансного поглощения активатора должен иметь довольно большую ширину. Во-вторых, необходимо, чтобы максимум линии поглощения активатора совпадал с областью спектра излучения накачки. В-третьих, интенсивность излучения накачки должна быть выше порогового значения мощности возбуждения активной среды.
Оптическая накачка носит универсальный характер. Она применяется для возбуждения различных активных сред — диэлектрических и полупроводниковых кристаллов, стекол, жидкостей, газовыхсмесей. Примеры практической реализации осветителей и излучателей лазеров и схем оптической накачки даны на рис. 5.5 и 7.6...7.10. Остановимся подробнее на главных элементах этих схем. 78 Лампы. Изготавливаются из высококачественных кварцевых тру- бок со стандартными толщинами стенок. При выборе лампы исходным параметром является объем разрядного промежутка, который должен быть примерно равен объему активного элемента. Наиболее часто ис- пользуемая в твердотельных лазерах прямая импульсная лампа имеет т о ы на каждом конце заполненной инертным газом цили др- электроды на кажд к мплотно сварива- ческ " ой кварцевой трубки.
Оба конца трубки вакуу оте и эне гни на ются с м олибденовыми стержнями — электродами. П р р е ва евой б кой нагрев л п ев лампы и электродов, а также на поглощение к рц " тру в области длин волн 180...3500 нм не превыша ают 25...30 %. Лампы накачки, предназначенные для работы в лазерах импульс- ного действия, нап олняют ксеноном, так как этот газ еспечивает о сравнению с другими инертными газами светоот- оолее высокую по о с низким потенциалом ионизации и сравнительно вы- сокой атомной массой (131,3) его. Оптимальное давление газа при на- (4...13) 1О' Па.
Ксеноновые лампы бывают равен альные, П- и личной конфигурации: прямые, трубчатые, трапецеидальные, - и (ъ б, ксиальные, спиральные. Рекомендуемые значения дли- ы-ооразные, коаксиальн ны м ж е дуэлектродного промежутка и внутреннего диаметра кварце- твенно. во тру й рубки составляют 4...30 и 0,3...3 см соответс К недостаткам импульсных ламп относится сравнительно не о н больб аже при эксплуатации в номинальном режиме. е ельно Этот с ок может быть значительно увеличен при снижении предельн допустимых нагрузок и наоборот. Для эксплуатац р от срок може и ата ии тве дотельных лазеров необходимо знать долювечность и надежность ламп, определяэффициентом нагрузки й,.
Коэффициент нагрузки представля- емую коэн„ниииен е ельной эне гии ет со бой отношение рабочей энергии лампы Ел к пр д р Е,,„, подводимой от источника питания, которую ам л па может вы- е жать при накачке. Одной из причин разрушения ламп, наряду с т е ин, является тер- эро эней электродов, появлением налета и микро р щ зл чения. Макси- моудар, , возникающий при генерации импульсов и лу ам и- Мальнан ЭНЕРГИЯ л т»» ам Е лампы накачки зависит от приложенного мпы 7, 23): пульса накачки и конструктивных параметров лампы [, Ел м»» — 0»2 ' 10 г[»Елтл' ° В в симости от режима питания лампы изменяется спектральное за и распределение энер энергии излучения (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
