Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Если в газовой среде установилось максвелловское распределение электронов по скоростям, то КПД возбуждения определяется следующим образом; В, е~- иьг~, где ЬŠ— энергяя, затрачиваемая на возбуждение частицы. Удары 11 рода заключаются в обмене внутренними энергиямя сталкивающихся частиц, Прн этом суммарная кинетическая энергия частиц остается неизменной или возрастает. Неупругнй удар П рода носит резонансный характер, н эффективное сечение этого процесса имеет максимум при совпадении энергии уровней взаимодействующих частиц (рис.
6.Ц, Ширина данного резонанса не полее значения лТ, где Т вЂ” среднестатистическая тем. пература сталкивающихся частиц. Этот процесс имеет большое значение в создании инверсии в газоразрядных лазерах, в частностк в Не — Ые и на основе СО,, Кроме неупругих соударений существуют еще и другие процессы, прнводящие к инверсии населенностей. Один из них— перезарядка, Этот процесс наблюдается при взаимодействии иона с нейтральным атомом я сопровождается обменом валентным электроном между ионом и атомом. В смеси газов с различными потенциалами ионизации при достаточно большой энергии иола одного из газов А+ перезарядка наряду с иопизацией атома другого газа В может привести и к возбуждению вновь образовавшегося нона В'*; А'+В =А+В".
Этот процесс имеет место в некоторых лазерах на парах металлов, где используется разряд с полым катодом, в частности в гелий- кадмиевом. Процесс Пеннига — соударение возбужденного метзстабильиого атома Ам основного газа с атомом примеси В, потенциал ионизация которого меныпе энергии метастабильного состояния основного газа. В результате такого процесса атом вспомогатель. ного газа нонязнруется и одновременно возбуждается, что можно представить в виде АЪ+ В = А+В '+е.
Данный процесс играет основную роль в создании инверсии в гелий.кадмиевом лазере. При создании инверсии важным является и процесс рекомбинации, который ведет к превращению ионов в атомы: А++э =А. Этот процесс имеет место в основном на стенках газоразрядной трубки и электродах. 162 При рекомбинации плазмы возможны селектнвное возбуждение ерхних лазерных уровней и селективная релаксация нижнего 'лазерного уровня, что также в совокупности может привести к созданию инверсии.
Девозбужденне (релаксация) нижних уровней в газоразряд"ных лазерах происходит в результате соударений, спонтанного излучения и комбинированным путем. Излучение эффективно опустошает нижний уровень при определенных условиях в газовом разряде, в частности, когда можно пренебречь процессом епленения» излучения, заключающимся в многократном пере- излучении фотонов от одного атома к другому и, как правило, приводящим к значительному увеличению эффективного времени жизни нижнего уровня и снижению инверсии. Непосредственно создавать инверсию путем возбуждения атомов и молекул электронным ударом гзожно далеко не всегда.
Прп этих процессах наиболее эффективно возбуждаются резонансные уровни, связанные с основным состоянием, разрешенным 'оптическим переходом. Часто это наиболее низкие возбужденные 'состояния, так что они не могут служить в качестве верхнего 'лазерного уровня. В то же время использование в этом качестве уровней, расположенных выше резонансных, хотя н позволяет в ряде случаев получить инверсную заселенность н стационарную генерацию лазерного излучения, требует непропорционально высоких энергетических затрат.
Применение рассматряваемого меха.низма создания инверсии в стационарных условиях возможно только при малых значениях плотности электронов и газа, когда процессы прямого возбуждения лазерных уровней преобладают над ступенчатыми. В противном случае устанавливается близкое к равновесному распределение атомов по возбужденным состояниям, которые описываются формулой Больцмана.
Эти процессы препятствуют созданию мощных непрерывных лазеров с высоким КПД, основанных на инверсии прямым электронным ударом. 'Но для больпюго числа импульсных лазеров прямой электронный удар является эффективным механизмом возбуждения. Прямой .электронный удар используется для создания инверсии в им:пульсных лазерах на парах металлов (лазер на парах меди), импульсных молекулярных лазерах (лазер на азоте, молекулярном водороде), ионных лазерах непрерывного действия (лазер на арго не), Прн использовании резонансной передачи возбуждения состав смеси и условия возбуждения подбираются таким образом, чтобы основной канал потери энергия электронов был связан с возбуждением электронных состояний атомов илн молекул одного из газов.
При этом возможна эффективная передача энергии от электронно-возбужденного состояния одного из газов другому за счет резонансного процесса (неупругнх соударений П рода). Этот механизм используется в гелий-неоновом лазере, лазере на -углекислом газе и т. д. 6" !вз Нерезоиансная перезарядка приводит к созданию инверсии в ряде лазеров непрерывного действия, работающих на переходах между возбужденными состояниями иояов некоторых металлов, Активная среда лазеров такого типа состоит из гелия и небольшого количества металлического пара, На таком принципе работают лазеры на парах кадмия, цинка и ряд других.
Инверсная населенность образуется в результате процесса Не' + М-» Нз (М')», где 1М+)» — возбужденное состояние иона металла, Процессы фотодиссоциации под действием коротковолнового излучения являются одним из способов селективиого возбуждения атомов. Существующие фотодиссационные лазеры работают на переходе атомов гзлогена, Наиболее распространенным фотодиссационным лазером является иодиый лазер. Создание возбужденных атомов иода достигается фотодиссоциацней иодосодержащих молекул. Другим способом селективного возбуждения является фото- возбуждение. Этот процесс связан с взаимодействием излучения, длина волны которого соответствует энергии возбужденного состояния, Для создания лазера иа основе фотовозбуждеиня необходимо иметь достаточно эффективный источник мопохроматического излучении.
С помощью фотовозбуждеиия получают инверсию на электронно-колебательных переходах таких молекул, как 1,, Ха,, 8„К . Этот же механизм успешно используется для селективного возбуждения при создаиин инверсии иа колебательно- вращательных переходах молекул 1лазер на СР,, ХН,, СИ,Р). Процессы рекомбинации используются для создания инверсии в эксимерных лазерах. При пропускзиии через инертный газ достаточно высокой плотности интенсивного пучка быстрых электронов значительная часть теряемой пучком энергия расходуется на ионизацию газа, Последующие процессы и, в частности, процессы диссоциативной рекомбинации Рг + е -».
Я" + Я вызывают образование большого количества возбужденных атомов инертного газа. Последующие процессы столкновений, в которых участвуют возбужденные атомы, приводят к образованию эксимерных молекул Яз или РХ", где Х вЂ” атом галогена, В газовых лазерах широко используются для создания инверсии колебательно-вращательные переходы молекул, Возбуждение молекул газа в лазерах этого класса осуществляется различными методами, приводящими к преобразованию значительной части вводимой в активную среду энергии в колебательную энергию молекул. Из-за медленного обмена энергией между колебательной, с одной стороны, н поступательной и вращательной степенями свободы, с другой стороны, в результате такого селективного возбуждения образуется неравновесвый молекулярный газ с большим отрывом колебательной температуры от поступательной.
Возбуждение активной среды газовых лазеров может осуществляться различными способами, Один из наиболее распростра1в4 ненных способов введения энергии в газ связан с использованием газового разряда, В этом случае энергия от внешнего поля передается электронам газоразрядной плазмы, которые тратят ее на возбуждение частиц газа или плазмы. Этот способ технически проще и сразу же создает неравновесиое состояние газа, так как средняя энергия электронов в газовом разряде значительно превышает тепловую энергию атомов.
Поэтому газовый разряд используется в большинстве типов лазеров. Оптическая накачка связана с воздействяем на газ интенсивного излучения, спектр которого отвечает спектру поглощения данного газа. Удобным способом введения энергии и активную среду импульсного лазера является электронный пучок, позволяющий вводить значительную энергию в активную среду, находящуюся .под большим давлением. Создание инверсии в газовом лазере может осуществляться с помощью энергии, выделщощейся прп протекании химической реакции.
Наиболее прямой нуть преобразования химической энергии в энергию лазерного излучения связан с использованием экзотермических химических реакций, Простой способ введения энергии в газ связан и с его нагреванием. Но для получения инверсной населенности нагревание газа должно сопровождаться дополнительным воздействием на газ, приводящим к неравновесному распределению. Одним из таких способов является истечение газа из сверхзвукового сопла. 6.3. ЛАЗГРЫ НА НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМАХ Типичным представителем лазеров на нейтральных атомах является гелий-неоновый лазер. Это первый газовый лазер.
Создан он в 1961 г. Джаваном, Беннетом и Эрриотом. С тех пор получена генерация на нейтральных атомах более чем тридцати химических элементов. Но наиболее распространенным лазером является гелий-неоновый. Уже в начале 1960-х годов был освоен их серийный выпуск. Объем производства и сфера применения гелий-неонового лазера непрерывно расширяются. Сейчас во всем мире выпускается несколько сот типов гелий-неоновых лазеров, мощность излучения которых лежит в диапазоне от 0,1 до 600 мВт, но нанболыпее распространение получили лазеры с мощностью излучения от 0,1 до 6 мВт, Почти все производимые лазеры работают в одномодовом режиме в красной области спектра (Х = 0,63 мкм).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
