Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Выпускаются также многомодовые и одночастотньге лазеры и лазеры, работающие иа длинах волн Х = 1,15 и 3,39 мкм. КПД лазеров 0,1 — 0,01%. Широкому распространению гелнй-неоновых лазеров способствовало то, что длина волны генерации (1, =- 0,63 мкм) соответствует видимой области спектра, и сравнительно простая конструкция газоразрядиой трубки. Для анализа процесса в активной среде воспользуемся диаграммой нижних электрических состояний гелия и неона (рис. 6,2).
165 рос. здь унроа1еннаа схема аей гелий-аеомоаого валера Исторически первой была получена генерация на группе переходов 2з-ч. 2р, В настоящее время и промьппленных лазерах используются три перехода, генерация в которых наблюдается 166 е,ез Гелий является буферным Не Убе бн Ге ГаЗОМ И СЛУжИт ДЛЯ СЕ- а=дарили лектпвного заселения верхГб е даре, Ге брг ННХ рабОЧИХ урОВНЕй ИЕ ".ее лбе за счет соударений атолл еееое рого рода.
Сама атомы гелия возбуждаются электронным ударом. Возбуй жданные состоянгея гелия з Ъ (2 зе и 2 зе) являются мета- стабильными. Время жизни на этих уровнях имеет зна,Либе1ореая чение порядка 10-' с. Воз) К емееелн бужденные уровни гелия гб близки к уровням 2з и За д неона. Присутствие в раз- ряде метастабильпых аторабочих уровмов гелия приводит к передаче возбуждения от мета- стабильных атомов гелия к атомам неона. Разница в энергиях уровней 2лЯо гелия и 2з, неона, а также между 2'Зо гелия и Ззе неонов составляет примерно 300 см *, И хотя это несколько болыпе значения лТ при комчатной температуре, тем не менее пропесс передачи возбуждения идет весьма интенсивно.
Таким образом, эффект передачи возоуждеиия в значительной мере является резонансным. В соответствии с правчлами отбора разрешенными являются переходы в р-состояния. Время жизни з-состояний равно 100 нс, что на порядок больше времеви жизни р-состояний. В данном случае выполняется условие для создания инверсии на переходах 2з-е 2р и Зб -» Зр, что соответствует работе лазере. по четырехуровневой схеме.
Было установлено, что этот процесс создания инверсии является доминйрующим, хотя прямые столкновения электронов с атомами пеона также участвуют в накачке. Следует также учитывать, что состояния 1з неона хорошо заселяются в разряде арн некоторых условиях (болыпие токп разряда), Процесс ступенчатого возбуждения атомов из состояний 1з в состояния 2р и Зр может стать существенным.
Этот процесс ведет к дополнительному подзаселению нижних рабочих состояний, а следовательно, к уменьшению инверсии и срыву генерации. Эти процессы можно представить следующим образом: е + Ие (1з) — и Ие (2р) + а; е + Ие (2з)-ь- Ие+ е. примерно в одинаковых условиях разряда и которые характеризуются апалогичньгми зависимостями мощности генерации от параметров разряда.
Усиление соответствующих переходов равно; Х = 3,30 мкм ............ до 20 дБ/и Х= !36 мкм ............ 1Π— 12% нд метр и= 0,63 идм ......,..... 4 — 6те не метр Наиболее легко возбуждается переход, соответствующий длине волны излучения А = 3,39 мкм. Генерация на этом переходе реализуется в наиболее широком диапазоне изменения параметров разряда. Значительно сложнее получить генерацию на длине волны Х = 0,63 мкм, однако, вследствие того что длина волны излучения на этом переходе лежит в видимом диапазоне и соответствует области наибольшей чувствителы1ости высокочастотных приемников излучения, гелий-неоновые лазеры с этой длиной волны гюлучили наибольшее распространение. Ширину спектральной линии определяют следующие трн процесса. 1.
Столкновения. В гелий-неоновых лазерах при давлении р ж 66 Г1а и комнатной температуре т, ж 0,5 !О ' с ширина линии обусловлена столкновениями, Лт, = 1/(ят,) ж 0,64 МГц. 2. Естественное уширение Лтеет = 1Я2птед) ж 19 МГц, где т,„= т, + т,, а т, и тр — времена жизни з- н р-уровней соответственно. 3. ДоплеРовское УшиРение, ДЯЯ Т чь 300 К имеем: Лиде ж ж 1700 МГц (Х = 0,63 мкм); Ьтд, д ж 800 МГц (1. = 1,15 мкм); ~-'тдопд 300 МГц (Х = 3,,9 мкм). Таким образом, доплеровское уширение является наиболее существенным для гелий-неоиовых лазеров.
Гелий-неоновый лазер в силу сложных процессов возбуждения и релаксации в нем характеризуется рядом оптимальных рабочих ,' параметров. 1, Оптимальное давление неона (около 13 Па) и отношение концентрации гелия к неону. Концентрация гелия должна превышать концентрацию неона. Оптимизированное экспериментально по щах мощности излучения отношение гелия к неону в зависимости от диаметра трубки составляет 5: 1 — 10: 1. Большее отношение относится к малым диаметрам разрядной трубки, Существование оптимального давления неона, вероятно, связано с тем, что при повышении давления увеличивается роль процессов ступенчатого электронного возбуждения нижних уровней неона.
2. Оптимальный диаметр разрядной трубки. Стенки разрядной трубки необходимо приближать друг к другу из-за того, что состояние 13 является метастабильным и релаксация этого уровня происходит только за счет столкновений со стенками трубки. Однако чрезмерное уменьшение диаметра трубки может привести к значительному росту дифракционных потерь. Практически диаметр трубки выбирают в пределах 1 — 5 мм. !6У Для гелий-неонового лазера существует закон подобия дль разряда рс( ° сои з(, где р — суммарное давление газовой смеси; Ы вЂ” диаметр разряд ной трубки. Закон подобия означает, что если разрядные трубки имеют разные диаметры, то в оптимуме получаем одинаковые удельные характеристики для лазерного излучения. Опытным путем установлено, что оптимальное произведение р4 для гелий неоновых лазеров лежит в пределах 0,44 — 0,53 Па м.
3. Оптимальная плотность тока разряда. Необходимость оптн мизации плотности тока связана с процессами интенсивного электронного возбуждения нижних уровней неона. Это может существенно снизить инверсию и даже сорвать генерацию. Вы ходная мощность гелий-иеонового лазера не растет монотонно с плотностью тока, а достигает некоторого оптимального значения, которое зависит только от длины разрядной трубки. Оптимальное значение тока в промы1плениых гелий-неоновых лазерах состав. ляет 5 — 50 мЛ. Переходы, соответствующие линиям излучения 0,63 и 3,39 мкм, имеют общий верхний уровень Зг„а соответствующие линиям излучения 1,15 н 0,63 мкм, — общий нижний уровень 2р4, Одновременная генерация на каждой из пар линий излучения ведет к перераспределению атомов иа лазерных уровнях, что в итоге приводит к снижению инверсии населенностей.
Это явление пазы вается конкуренцией переходов. На практике для устранения конкуренции используются следующие способы. 14аложеиие поперечного магнитного поля, что ведет к рас щеплению уровней (эффект Зеемаиа). Контуры каждой спектраль ной линии раздваиваются, причем обе расщепленных компоненть имеют противоположную круговую поляризацию. Для линии 3,39 мкм расщепление уровней велико, а для линии 0,63 мкм— сравнительно мало, и потери для линии 3,39 мкм при прохождении окон Брюстера оказываются столь большими, что генерации срывается. Применение в резонаторе материалов, избирательно поглоща ющих излучение с длиной волкы 3,39 мкм (стекло С-52-2; ЛК-4 и т.
п.). Специальный подбор покрытий зеркал. Пркменение внутри резонатора ячейки, наполненной метаном сильна поглощающим в области 3,39 мкм. Конструкция типа нога элемента гелий-неонового лазера пред. ставляет собой капилляр с внутренним диаметром 1 — 2,5 мм. длиной 250 — 500 мм, изготовленный из термастойкого электро- вакуумного стекла с толщиной стенок 2 — 5 мм (рис. 6.3). К капилляру предъявляются требования прямолинейности (стрела прогиба не более 0,1 мм), жесткости, низкой проницаемости по гелию и высокие требования к допуску на внутренний диаметр 168 В гелий-неоновых лазерах применяют холодные катоды, что позволяет иметь наработку более 10 000 ч. Активному злементу, показанному на рис.6.3, п, ~~ ото ло свойственна низкая механическаяя прочность.
Пазтаму все большее распространение получают трубки кааксиальной констРУкции тРис 0 3 б) ' Такие Рис. з.з. схематическое иэображение ТрубКИ Са ВСТРОЕННЫМИ ЗЕрКа активного влемеита гелий-меомового лами Оптического резонатора лазера (а) и излучателя коаксиальфактически представляют собой иой конструкции ф) лазерные излучатели. В атом случае несущей конструкцией резонатора и одновременно внешней колбой газоразрядной трубки является стеклянная трубка диаметром 30 — 40 мм.
Такая конструкция излучателей позволяет механизировать процессы их изготовления, Источники питания малогабаритных гелий-неоновых лазеров представляют собой маломощные высоковольтные выпрямители, рассчитанные на питание от сети переменного тока или переносных аккумуляторов. Кроме источника постоянного тока для возбуждения газовой смеси мажет быть использована СВЧ накачка, на оиа применяется сравнительно редко.
В связи с развитием и совершенствованием конструкции гелий- неоновых лазеров ани находят все большее применение в науке и технике, Они успешна применяются в области передачи и обработки информации, в контрольно-измерительной и юстировачной технике, в медицине и биологии, На основе лазеров разрабатаны следующие системы: видеопроигрыватели, факсимильные, печати и записи информации, считывающие, контроля качества, доплеровские измерители скорости, интерферометрические, контроля поверхности, управления землерайными машинами, центрирования, установки для лучевой терапии, офтальмологии, рентгеноскопии, анализа клеток н микрочастиц и т.
д. бА. ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ Ионные лазеры являются источником непрерывного когерентного излучения в основном в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, Ионные лазеры на инертных газах имеют следующие основные особенности: рабочие уровни ионных переходов расположены достаточно высоко, а расстояние между ними на энергетической диаграмме больше, чем у атомных переходов, что обусловливает возможность получать лазерную генерацию в более коротковолновой области спектра; большая, как правило, по сравнению с атомными переходами вероятность ионных переходов и сравнительно высокие параметры насыщения позволяют палу- )бй е,еа зр'а» чать высокую мощность язлуче- 3Р'3« иия в непрерывном режиме.
зх ,~р'ер В настоящее время в каче- раеериое иеця «ее«ее стае активной среды ионных Л> лазеров получили распростра- нение такие инертные газы. г5 оеееееен~ а аргон, криптон, ксеион, неон, мам«с ое«,е е 6~ Наиболее мощная ген~р~ция гр сося ное рена зр'л й (несколько сотен ватт) получена эре в сине-зеленой области спектЭеейнее ееенеее«е ра (Х = 488,8 мм, Х = 614,5 мм) еера рг' )й в иа ионах Ага', в желто-красгр 1 Ъ " вой 1568,2 нм, 647,! им) на 1й а й ионах Кг",яа Усэлиниях Че«', прнменеиие имеют лазеры на анена рг Рр аргоие.
Рне. азк упрощен«а« схема «норге- Аргоиовыйлззер возбуждаеттнчее«нх ура«ней «анара на вонах ся дуговым разрядом: генерация аргона наблюдается как в импульсном, так и в непоерывном режимах. Он генерирует одновременно на нескольких длинах волн в диапазоне 454,5 — 514,5 им, причем наибольшая интенсивность генерации соответствует линиям с Х = 488 нм 1голубая) и Х = 514,5 нм (зеленая). Механизм создания инверсии в аргоиовом лазере основан на заселении верхнего лазерного уровня благодаря двум последовательным столкновениям атома с электронами в электрическом разряде (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
