Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Порядок построения номограммы следующий *. Типы колебаний представляют фронтами плоских волн. Задавая их резонансные частоты и направления распространения относительно оси резонатора, ' Смл К а р 1а п к. А. Оез!кп!пд Ьазетз ядщ Рапер — Растет Спас(а, й' Е!ес!то. п(сз, 1963.— Ч. 36, И 63.— Р. 9 — 16. 141 составляют диаграмму типов колебаний, т. е.
модальные характепистики — зависимость нормированной расходимости излучения 1' от нормированной длины волны Л и параметров кристалла (,е(. Эти зависимости совмещают а семейством кривых энергии накачки (в относительных единицах Е,~Еех). В результате получается номограмма, а помощью которой в зависимости от заданного уровня накачки можно определить спектральные характеристики излучения трех- или четырехуровневых лазеров.
По построенной номограмме и формуле (7.40) можно вычислить ширину выходного луча Лйтаа =* 2лае(Гмах/1~ (7.47) где л, — показатель преломления обыкновенного луча в активной среде. Максимальное значение полоны частот выходного аигнала сх „йх (7.48) где Л ,„ — значение максимальной нормированной длины волны, взятой из номограммы прн заданном значении Х. Пиме.Р р р. ассмотрим построение номограммы характеристик излучения ~ипового четырехуровневого лазера, имеющего следующие параметры активной среды и резонатора: Е 1О см; о = 1 см; йе= 1,06 ° Ю 4 см; л„1,53; йй 1О а ем; Ее1Е 0,5.
о ° ° ° см ах По формуле (7.38) рассчитываем наклон характеристики моды т 0,02. Угловую карактеристику моды в виде прямой ОА по круговой шкале наносим иа номограмму (см. рис. 7.13), Остальные модальиые характеристики параллельны прямой ОА и отстоят друг от друга иа ЛЛ = 0,55. В точках пересечения характеристик моды с кривой нормированной энергии на. качки находим нормированные значения минимальной (ЛЛ 0,95) и максимал ой (,„= 0,9) длин волн, а также максимального угла расходямости Г н„= 0,075. Тогда максимальная расходимость выходного излучения, рассчитанная по формуле (7.47), составит Л0 = 22,5 мрад.
Глава 8. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ ВЛ. Принцип действия лазера на нейтральных атомах гелий-неоновой смеси Рааопылем называются лазеры, в которым активной средой явлиютси газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. Особенностью активной среды„находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие оптические длины резонатора и вследствие этого получать высокую направленность и монохроматичность излучения. Типичный лазер на нейтральных атомах (атомарный) — это газоразрядный гелий-неоновый лазер, в котором используется смесь гелия и неона в соотношении примерно 10: 1, 5: 1 при общем давлении в газоразрядной трубке около 80 Па.
Вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передаче энергии атомам неона (рис. 8.1) (!3, 24, 301. 142 наненаа ечеейтеа Рис. 8.1. Схема энергетических уровней гелий-неонового лазера При возбуждении газовой смеси электрическим током (постоянным или переменным с частотой около 30 МГП) возникает тлеющий разряд, подобный разряду в рекламной неоновой лампе. В электрическом разя е часть атомов неона переходит с основного уровня Е, на долгожиряд вущие возбужденные уровни Е, и Е,. Инверсия населенностей с доз а- ется благодаря большой населейности этих уровней по сравнению с короткоживущим уровнем Е,.
В чистом неоне созданию инверсии населенности мешает метастабильный уровень Е„поэтому полезным оказалось введение в рабочую смесь гелия. Под действием электрического разряда часть атомов гелия яонизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией. Эти электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их из основного состояния Е, на долгожнвущие возбужденные уровни Е, и Е,, которые весьма близки к уровням Е, н Е, неона, Поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона возникает высокая вероятность резонансной передачи возбуждения, в результате чего атомы неона оказываются на уров я овнях Е или Е, а атомы гелия возвращаются в основное состояние.
Вероятность возбуждения атомов неона до уровней Е, и Е, за счет ст по квений с атомами гелия мала, так как энергия этих состояний су- 4О . Т им об ащественно отличается от энергии уровней Е, и Е, гелин. Таким о разом, использование вспомогательного газа — гелия дает возможность осуществить дополнительное заселение энергетических уровней неона и получить инверсию населенностей между уровнями Ез и Е,, Е,.
Поскольку уровень Е, неона является короткоживущим (время жизни возбужденного атома неона на уровне Е, мало), на переходах Е, -~- Е, и Е, -ь Е„можно получить непрерывную генерацию. Переходу Е, -ь Ез соответствует генерация в ближней инфракрасной области с длиной волны 1,153 мкм, а переходу Еа — ь Е, — в красной области видимого спектра с длиной волны 0,6328 мкм. Каждый из уровней Е„ Е„ Е, в действительности состоит из нескольких подуровней, поэтому в диапазоне видимого и инфракрасного спектров гелий-неоновый ла. зер может содержать большое число ( 130) спектральных линий. Выделение нужной спектральной линии осуществляется подбором зеркал оптического резонатора, введением в резонатор диспергирую- 143 Збб б Рис. 8.2.
Схема конструкции излучателя гелий-иеоиоаого лазера типа ЛГ.36а: à — основание; у выкодиое сферическое зврнала; а — обойма; 4 кожух; б — выходное окно; б — оксидный катод; У вЂ” газоразрндиаи трубка (кювстп б — анод; б плоское зеркало; ГР— узел креплении зеркала; Гà — юстнровочиые винты; гу опоры", !3 — разъем щего или селективно поглощающего элемента, постоянного магнита. Между уровнями Е, и Е, неона есть еще один короткоживущий уровень, переход атомов на который с уровня Е, позволяет получить генерацию на длине волны 3,392 мкм. В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газо- разрядной трубке (рис. 8.2), длина которой может достигать 0,2...! м.
Трубка изготавливается из высококачественного стекла или кварца. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. Увеличение диаметра ведет к увеличению объема рабочей смеси, что способствует возрастанию мощности генерации. Однако с увеличением диаметра трубки уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов, что в конечном итоге снижает мощность генерации. Для уменьшения потерь торцы газоразрядной трубки закрыты плоскопараллельными пластинками, которые расположены не перпендикулярно к оси трубки, а так, чтобы нормаль к этой пластинке составляла с осью трубки угол !в = агс18 п (л — показатель преломления материала пластинки), называемый углом Брюгтгра (см.
и. 3,4). Особенность отражения электромагнитной волны от границы раздела различных сред под углом !в широко применяется в лазерной технике, Установка выходных окон кювета с активной средой под углом Брюстера однозначно определяет поляризацию лазерного излучения. Для излучения, поляризованного в плоскости падения, потери в резонаторе минимальны. Естественно, именно это линейно-поляризованное излучение устанавливается и лазере и является преобладающим.
Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование электромагнитных колебаний с частотой около 30 МГц при мощности в несколько десятков ватт. 144 Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током прн напряжении 1000...2000 В, получаемым с помощью стабилизированных выпрямителей.
В этом случае газоразрядная трубка снабжается подогревным или холодным катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на который подается импульсное напряжение около 12 кВ. Это напряжение получают путем разряда конденсатора емкостью 1...2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора. Достоинствами гелий-неоновых лазеров являются когерентность их излучения, малая потребляемая мощность (8...10 Вт) и небольшие размеры. Основные недостатки — невысокий к. и. д, (0,01...0,! оуо) и низкая выходная мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать и в импульсном режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой амплитуды при длительности в единицы микросекунд.
Главные области практического применения гелий. неоновых лазеров — научные исследования н измерительная техника. 8.2. Принцип действия неннеге пааерв Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Исторически механизм возбуждения ионного лазера был предложен Е. Гордоном в !964 г. (30). Ионы аргона образуются в кеовете в результате ионизации нейтральных атомов Аг 11 током большой плотности ( 10' А/смз). Инверсия населенностей между верхним (4р) и нижним (4б) рабочими уровнями создается следующим образом. Уровень 4 р, имеющий по сравнению с уровнем 4з большее время жизни, заселяется ионами аргона за счет их столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде и за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5р.
В то же время уровень 5р, обладающий очень коротким временем жизни (примерно в 25 раз меньше, чем время жизни уровня 4р), быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5р, бз, 4р состоит из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515 мкм (рис. 8.3).
Итак, инверсия населенностей в аргоновом лазере возникает благодаря интенсивной ионизации атомов Аг !1 и преимущественному очищению нижнего рабочего уровня. Особенности конструкции аргонового лазера обусловлены тем, что для его работы требуется пропускать через газ ток большой плотности, поскольку вначале нужно ионизировать нейтральные атомы аргона.
Поэтому необходимо предусмотреть эффективную систему теплоотвода от газоразрядной трубки (рис. 8.4). Газовый разряд создают в тонком капилляре 8 5 мм, охлаждаемом жидким хладоагентом. Рабочее давление газа порядка 220 Па. Для увеличения концентрации электронов в центре капилляра в разрядном промежутке с помощью магнитов создается магнитное поле, которое сжимает разряд и не дает ему касаться стенок капилляра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
