Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 43

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 43)

скопов, позволяющих получать усиление по яркости изображения микрообьектов с болыпкм увеличением я на больших экранах Но чрезвычайно высокое усиление и малая длительность существования инверсии создают определенные трудности прн разработке лазеров с хорошей направленностью излучения Особеняость сверхлюминесценции, наблюдаемой при очень высоких коэффициентах усиления, заключается в том, что вынуж. денное излучение возникает в процессе усиления лазерной средой собственного спонтанного излучения в отсутствии обратной связи (оптического резонатора), Это приводит к значительному увели.

чению расходимости и более широкой полосе излучаемых частот. Уменьшить расходимость излучения возможно прк использовании неустойчивых резонаторов с большими значениями увели 1ения, что позволяет получить расходимость, близкую к дифракционной. Практические трудности, возникающие при создаяии лазеров на переходах меди, — это высокие рабочие температуры, достигающие 1600'С, и исключительно крутые ~ранты возбуждакчцих импульсов тока (скорость нарастанкя 10" А/с и выше).

Конструктивно активный элемент представляет собой трубку из высокотемпературной керамики на основе алюминия, окиси бериллия и подобных материалов. Внутренний диаметр трубки ат 10 до 60 мм, длина до 1 м. Медь в виде колечек или отрезков проволоки размещают на вкутренней поверхности разрядкой трубки. Трубку излучателя устанавливают в излучатель, аналогичный излучателям аргоновых лазеров. Схемы питания медных лазеров достаточно сложны и громоздки. Они должны вырабатывать круть1е короткке импульсы (10 ' с).

Парзметрь1 трубки и разрядного контура подбирают так, чтобы установившаяся температура внутренней трубки составляла !600 'С, что соответствует давлению насыщенных паров меди при. мерно 100 Пз, Такой режим работы называют саморазогревиым. Он имеет следующие основные параметры н выходные характеристики: ток в импульсе 200 — 400 А, падение напряжения на раз. рядном промежутке 8 — 16 кВ, длительность импульса тока 200 — 300 мкс, длительность фронта импульса 30 — 100 нс, импульсная мощность излучения — до 800 кВт, длительность импульса излучения — 10 — 20 нс, часто~а повторения — до 20 кГц, средняя мощность излучения — до 50 Вт.

Отличительной особенностью азотного лазера является использование электронных переходов молекулы. Он генерирует на длине волны Х =- 337 нм и является одним из наиболее мощных источников импульсного когерентного излучения в ближней УФ области. Механизм создания инверсии связан с электронным переходом молекулы азота из основного состояния на верхнюю потенциальную кривую, обозначаемую С'Пи (рис.

6.17). Воз1эо и ппо п пз и уг пдп пмуп 'есольяПермое росссоолиие, им Рнс. 6,17. Схема рвзочнх уровней моленулм азотл П Рнс. 6.18. Схема устройства взот- ного лазера бужденные молекулы, колеблясь вдоль горизонтальных прямых, могут переходить на нижнюю потенциальную кривую, обозначаемую ВзПя. Для простоты на схеме энергетических уровней молекулы азота Кз для каждого электронного состояния показан 'только один нижний колебательнй уровень 1п = О). Время жизни ;верхнего состояния примерно 40 нс, нижнего состояния — 10 мкс, что соответствует самоограниченному переходу.

Следовательно, инверсия может быть получена только иа фронте импульса в течение интервала времени порядка 10 нс. Релаксация метастабильных нижних уровней происходит путем соударений молекул со стенками, и этот процесс ограничивает предельную частоту генерации. Для увеличения частоты следования импульсов необходимо осуществлять быструю прокачку газа. При создании инверсии в азотных лазерах используется как продольная, так и поперечная накачка. Разрядная трубка лазера с продольной накачкой представляет собой стеклянйую трубку с коаксиально расположенными вблизи торцов электродами.

, Это сгуособствует снижению паразиткой индуктивности разрядного контура. Внутренний диаметр трубки 1 — 5 мм, что связано с механизмом разрушения нижнего лазерного уровня, аналогичным механизму разрушения, происходящим в гелнй-неоновом лавере. Основное преимущество поперечной накачки перед продольной — это возможность использования сравнительно невысоких напряжений 120 кВ).

Крогне того, при поперечной яакачке сопротивление плазмы и ее индуктивность могут быть значительно снижены по сравнению с продольной, что также способствует увеличению эффективности использования подводимой мощности. Поскольку время существования инверсии всего несколько наносекунд, а свет за это время проходит путь менее одного метра, для повышения эффективности лазера необходимо обеспечивать ,синхронное распространение светового и электрического импульсов, что прн погеречиой накачке решается путем использования 'специальных электрических схем 1рис.

6.18). В этом случае от' адает необходимость в применении зеркал — весь процесс генерации развивается за один проход. 191 Очень высокий коэффициент усиления и малая длительность импульса при практическом применении создают те же трудности, что и в медном лазере. Импульсная мощность азотных лазеров достигает!00 МВт, длительность импульса 1 — 10 нс, частота пов.. горения импульсов — до 1 кГц, средняя мощность — до нескольких сотен милливатт при КПД до единиц процентов, Азотные лазеры серийно выпускаются промышленностью, и одно из основных применений — технологические установки для размерной обработки изделий.

6.! О. ЛАЗЕРЫ НА ЭКСИМЕРАХ Эксимсриые лазеры появились сравнительно недавно (действующие лабораторные образцы были созданы в начале !970-х годов), но их разработка ознаменовала собой существенный цоворот в развитии когерептиых источников излучения. Излучение в лазерах этого класса возникает на переходах между двумя термами молекулы, нижний яз которых является отталкивательиым и составлен обычно из атомов в основном состоянии. Верхний терм лазерного перехода имеет потенциальный минимум. Такие молекулы, существующие только в возбужденном состоянии, носят название эксимерных, зто и дало название лазерам данного класса.

Интерес к этим лазерам вызван тем, что с их помощью может быть получено мощное импульсное когерснтное излучение в видимой н ультрафиолетовой областях спектра, причем средняя мощность излучения эксимериых лазеров может достигать сотен ватт, а КПД преобразования в излучение введенной в активную среду эиерг~1и превышает несколько процентов. На разных типах экснмерных молекул получают лазерное излучение от области вакуумного ультрафиолета (Х = 0,126 мм, лазер иа Аг,) до зеленой области спектра (А = 558 пм, на КгО). Полосы люминесценции эксимеряых молекул однородно уширены, что позволяет получать плавную перестройку частоты излучения, Эксимериые лазеры работают по четырехуровневой схеме на связанно-свободных переходах молекул.

Существующие эксимериые лазеры можно разделить иа три группы: лазеры иа димерах инертных газов; лазеры нз моногаллоидах инертных газов; лазеры на оксидах инертных газов. Разрабатываются лазеры ва соединениях паров металлов с инертными газами !НдХе, Т!Хе и т. д.), а также на смеси паров металлов (НаНй, ОбНя и т, п,), Рассмотрим кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний эксимерцой молекулы !рис. 6.19), Основное состояние таких молекул соответствует взаимному отталкиванию атомов, и, следовательно, молекул в этом состоянии не существует. Но поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, то в возбужденном состоянии молекула существует. Таким образом, генерация мажет быть !92 получена между верхним (связанным) и нижним (несвязанным) состояниями.

Отталкивательный характер нижнего терма обусловливает ега эффективное опустошение (незаселенность нижнего уровня) и отсутствие поглощения лазерного излучения активной средой, а расположение нижнего терма вблизи основного электронного состояния приводит к весьма высоким (свыше 0,9) значениям квантового КПД, определяемого как отио-,чеееИвррре рсссекерие шение энергии лазерного кванта к энергии верхнего лазерного уровня, ' рк' злэ' оке"к екеэге ткческях уяоееея ексеиер- В результате процессов, происходящих в возбужденном газе, образуется эксимерная молекула в электронно-возбужденном состоянии на некотором колебательном уровне, Линия излучения такой молекулы относительно широка. В частности, в этом случае, когда возбужденная молекула образуется в основном колебательном состоянии, ширина линии испускания определяется наклоном нижнего электронного терма и по порядку величины составляет йбсе У" (Ре) а, где У' (!гс) — производная от потенциала взаимодействия атомов на нижней потенциальной кривой в точке, соответствующей минимуму верхнего электронного состояния; а — амплитуда колебания ядер в верхнем состоянии.

Поскольку (Р (!се) ж 1 —:10 эВ/нм, а амплитуда колебаний ядер а -- )Рт7Ма, 10 ' нм, получим, что йбе> (10 ' —:10 ') зВ. Так как йа ж 5 зВ, относительная ширина линии излучения Ьв/е ж 10 е-:-10 к, что на несколько порядков превышает зна, чение этой величины для других типов лазеров и обусловливает возможность непрерывной перестройки частоты генерации з широкой области спектра.

Физически это объясняется отсутствием четко выраженных вращательио-колебательных состояний нижнего терма ввиду его отталкивательнога характера. В эксимерных лазерах используются двухатомные экснмериые молекулы — короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами нлн с кислородом.

Характеристики

Список файлов книги