Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Катод эмиттирует электроны, которые под действием электрического напряжения, приложенного между катодом и анодом, движутся по капилляру к аноду. При этом газ в капилляре тоже начинает перемещаться от катода к аноду, что может г привести к гашению разр яда, так как у анода давление газа значительно повышается. Для выравнивания давления по длине капилляра катодную и анодную м рй полости газоразрядной трубки соединяют обводной трубкой, обеспечивающей циркуляцию П1 газа.
В первых ионных лазерах использовались кварцевые капилляры, срок службы которых не превышал 100 ч. В более поздних конструкциях применялись металлокерамические капнлляйб ры. Перспективными являются капилляры на основе окисей беряллия, работающие около 1000 ч (24, 30). Значительным достижением в конструкции ионных лазеров явилось создание излучателя с кольцевым разрядом н получение генерации в ультрафиолетовой области спектра.
Кювет представляет собой замкнутый контур, одну из сторон которого составляет капилляр в виде вторичной обмотки одновиткового высокочастотного трансформатора. В этом кювете нет электродов, которые, как правило, загрязняют примесями активную среду. Другими достоинствами этой конструкции являются снижение внутренних шумов и сравнительно малое ушнрение спектральной линии. Блок питания ионного лазера представляет собой мощный (около 10 кВт) выпрямитель, выходное напряжение которого составляет 200...400 В.
Можно использовать также высокочастотное возбуждение, 155 бр Яг Рис. 8.3. Схема энергетических уровней н квантовые переходы между уравнпми аргоиа (4р -з. 4з — устойчивый лазерный переход на ло = 0,4879 мкм) Рис. 8.4. Схема конструкции излучателя аргонового лазера типа ЛГ-!08: 1, гб — юсгировочиые винты; 3 — окно трубки; 3 — сэерическое зеркало; б — юсгировочиаи головка; б — «рипштейн; б — ивпиллир газоразридиой трубки; 1 — клеммпаи колодка; б— магииг; У вЂ” катод; гб — спираль обводного канала; 11 — анод; Ы вЂ” выхадиое зерйала; 14 — горизоитирующаи подставка; 1б штуцер системы охлаждении; гб — кожух 148 при котором возрастает долговечность капилляра за счет того, что ионы, бомбардирующие его стенки, прн движении в высокочастотном поле не успевают приобрести большой скорости. В настоящее время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра.
Созданы лазеры с мощностью излучения 150 Вт. Теоретические оценки показывают, что мощность этих лазеров может быть увеличена до нескольких сотен ватт. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый к. п. д. ( 0,1 %) и большая потребляемая мощность (3...5 кВт). Аргоновый лазер в сравнении с гелий-неоновым лазером имеет некоторые особенности: 1. Кривая коэффициента усиления 6 (у) в разряде постоянного газа асимметрична из-за доплеровского сдвига, связанного со скоростью дрейфа ионов к аноду.
2. Ширина «провала» Лэмба — Беннета на кривой усиления равна 100 МГц н превышает естественную ширину линии, что приводит к значительной конкуренции мод и неустойчивой генерации излучения. Основными областями применения аргоновых лазеров являются фотохимня, лазерная технология н медицина. Особенно перспективно использование в медицине коротковолнового ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,26 мкм, которое на 90 % поглощается нуклеиновыми кислотами и только на 10 % — белками. В этом случае лазерное излучение, получаемое удвоением частоты аргонового лазера, оказывается эффективнее рентгеновского н у-излучений.
В последнее время разработан также кадмий-гелневый лазер, отличающийся низкими пороговыми мощностями питания (около 70 Вт) н большой мощностью излучения (Р „° 0,3.„0,4 Вт) на длине волны 0,839 мкм (24). 8.3. Принцип действия молекулярного лазера Атомные и ионные лазеры имеютнизкий к. п. д. всвязистем,что верхний рабочий уровень расположен очень высоко над основным состоянием, и, следовательно, в процессе возбуждения принимает участие лишь малая доля общего числа электронов. С точки зрения повышения к. п.
д. газоразрядных лазеров желательно, чтобы рабочие уровни были расположены по возможности ниже, В качестве таких уровней целесообразно использовать колебательные уровни молекул СО,, Н,О, О,О, СНе НС!ч). Первенство в получении генерации на молекулах СО, принадлежит С. К. Пателу. Почти за два года (1964 — 1965 гг.) он получил мощность непрерывного излучения газового лазера сначала 220 Вт, затем 450 н 925 Вт на смеси СОз-Хз-Не с к. и. д.
1О %. Для того времени это было сенсацией, если сравнить этн результаты с мощностью около 2 мВт у гелий-неонового лазера. Молекула СО, имеет три частоты собственных колебаний, которым соответствуют уровни Е„Е, и Е,. Заселение этих уровней в газовом разряде происходит вследствие трех основных процессов. Первый из них — возбуждение молекул СО, при нх соударениях с быстрыми электронами. Использование такого механизма возбуждения позволяет 147 Пазерирге бЕ"18серт создать лазер, дающий в неПаРЕХРОзг Е 1 У=у ПРЕРЫВНОМ РЕЖИМЕ ИЗЛУЧЕ- ние с мощностью около10Вт при к. п. д., равном 10 %. ьоу Ф с Значительное повышение мощПе~едачп ности и к.
и. д. достигается хиле ателзэай добавлением к СО, молеку- 10' Ог'О Й Ф лярного азота и гелия. В га- Е' ЕО зовом разряде происходит ин- О/'О тенсивное возбуждение молеЕа пи кул азота до уровня Е,, который совпадает с уровнем Е, углекислого газа. Совпадение энергетических уровней азота и СО, почти идеальное (около !8 см — '). За счет резонансной передачи возбуждения от молекулы азота к молекуле СО, населенность уровня Е, значительно возрастает. Зто второй механизм заселения рабочих уровней. Гелий вводится в рабочую смесь для уменьшения ее температуры, это снижает тепловое заселение всех уровней и увеличивает инверсию населенности. Третий механизм дополнительного заселения уровня Е, молекулы СО, состоит в осуществлении каскадных переходов на этот уровень молекулы СО„ колебательно-возбужденной за счет столкновений с электронами и перешедшей на более высокие энергетические уровни, не показанные на рис.
8.5. Индуцированное излучение в лазере на СО, вызвано переходами Е, — Е, и Е, — Е,. Особенностью лазера на СО, является большое время жизни верхнего уровня (порядка 2,6 10 р зс), благодаря чему этот уровень в отсутствии генерации служит накопителем энергии, которая при мгновенном включении добротности резонатора освобождается в виде мощного импульса. Наиболее интенсивным является переход Е, — Е, с длиной волны 10,6 мкм, который может почти полностью подавлять лазерную генерацию в переходе Е, — Еа на длине волны 9,6 мкм.
Длина волны 10,6 мкм соответствует окну прозрачности атмосферы, что открывает возможность применения этого излучения в оптической локации. Каждый из колебательных уровней, показанных на рис. 8.5, упрощен, так как в действительности он представляет собой полосу, включающую до 30 подуровней.
Поэтому спектр генерации в лазере на СО, очень сложен, может возникнуть на большом числе переходов и иметь несколько сотен линий. Длины волн генерируемого излучения лежат в интервале 9,2...11,4 мкм. Существенной особенностью газоразрядной трубки лазера на смеси углекислого газа с азотом является введение непрерывной откачки рабочей смеси. За счет откачки рабочая смесь непрерывно заменяется новой, охлажденной, что улучшает теплоотвод и способствует улучшению мощности излучения. Мощность генерации такого лазера состав- 'з г СО92' ОО'О зу (х'Е ) Рис.
8.6. Схема энергетических уровней мо лехул СОз и 1Чз и квантовых переходов мо лехупы СО, (иидехс коз обозначает колеба тельные уровни) 148 7 д 9 79 77 г Рис 8,6. Схема коиструкпии излучателя молехуаяриогс лазера иа СОа типа ЛГ-23: à — осяовааяс, З вЂ” йгкксатор: 3 — юстировочкый узел; а — выкодкос зеркало; а — выходяое аква; б — макжста; У вЂ” стекляяаый капалляр кювета: 3 — резервуар с гааом, З вЂ” рубашка вадякого ааламдепкя; !а — кювет; !г — аяод: т — вкутреяяее каркала; зз — разъем: за — стайка; гз — катод: lа — опора ляет !0...20 Вт. Основная трудность заключается в разработке надежной конструкции зеркал и окон кювета. Генерацию с мощностью в десятки ватт можно получить в лазерах на СОз с отпаянной трубкой.
Длина разрядной трубки такого лазера составляет несколько десятков сантиметров, потребляемая им мощность невелика: менее 100 Вт (рнс. 8.6), Значительно большую мощность (больше 100 Вт) можно создать с помощью лазера из секционированной газоразрядной трубки. Использование сравнительно коротких секций, на каждую из которых подается электрический ток, дает возможность упростить зажигание и поддержание тлеющего разряда при большой общей длине газоразрядной трубки, достигающей нескольких метров. Одной из особенностей лазера на СО, является независимость выходной мощности и к. и. д. от диаметра разрядной трубки, что позволяет применять газоразрядные трубки большого диаметра (40...70 мм), для которых легче выполнить систему охлаждения.
Увеличение длины разрядной ~рубки приводит примерно к пропорциональному уве. личению мощности. Таким образом, в режиме непрерывной генерации можно достичь мощности лазера в десятки киловатт при к. п. д. до 30 % (теоретический предел — около 40 %). Лазеры на СО, находят широкое применение в нелинейной оптике и в технологических установках. В технологических целях используются также молекулярные лазеры на азоте, генерация в котором наблюдается при возбуждении молекул в сильноточном высоковольтном разряде. Мощности излучения некоторых отечественных молекулярных лазеров следующие: Р,ы„= !0 Вт (ОКГ-15); Р, „= 40 Вт (ЛГ- 22); Р. „= 1О кВт (ЛГИ-21).
8А. Коэффициент усипеиня активной среды и стабилизация частоты излучения При расчете выходной мощности газовых лазеров в зависимости от условий эксперимента для определения коэффициента усиления активной среды используют уравнение, соответствующее либо чисто однородному, либо чисто неоднородному 124, 30) уширению спектральной 149 где Ауо будет уже полной шириной линии на половине максимального значения доплеровской кривой усиления, а постоянная 2 (п 2 а бзАзз Дгз И, г щах ~/ л пуп 4л Кз ((з определяет относительное усиление в центре линии.
В диапазоне 0 ( ( Ауйг/Ауо ( 0,3, который соответствует условиям работы большинства реальных газовых лазеров, максимальная ошибка в определении 6 (у) по формуле (8.2) не превышает 1О % [18). Известно, что мощность газового лазера на смеси гелия с неоном при увеличении тока разряда (тлезощий разряд постоянного тока) вначале растет, достигая максимума, и затем падает [30).
Таким же образом изменяется и усиление газового лазера. Ход кривой усиления от тока разряда можно объяснить так. При малом токе разряда роль ступенчатых процессов (ступеичатого возбуждения и ионизации) мала. Роль усиления определяется в основном повышением концентрации метастабильных состояний гелия и увеличением вероятности саударения атомов неона с возбужденными атомами гелия из-за повышения температуры газа. В дальнейшем ступенчатое заселение нижнего рабочего уровня подавляет увеличение усиления и приводит к его падению.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
