Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Активная среда экснмерных лазеров состоит из инертного газа при атмосферном или большем давлении (до 10 и более атмосфер) с возможными малыми добавками галогеносодержащих молекул. Эксимерные молекулы образуются в результате протекания следующих процессов: ц' + 2ц -е. К3 + ц, где К вЂ” атом инертного газа; Х вЂ” молекула галогена (звездочка означает электронно-возбужденное состояние). 7 кривое К.
И. е ке, 193 ° Вммвмк Пороговые значения инверсии для эксимерных лазеров весьма велики. Это обусловлено о коротковолновым диапазоном их излучения, а также широкой линией усиления активной среды, Выражение для коэффициента усиления в случае, когда в кижнем состоянии перехода молекулы отсутствуют, имеет вид тс = — Ж, лзА„ Ял Лу Рис.а.Ю.Ске а евера с поковкой релвтпвкстсккм евекуропкмм пучком: г — вакуумва» кзыера; у — катод влек.
троввое пуикв; 8— асркала резокатсра; а — лазеркав камера с газоы прв висОкОм давлеввв: а — злектропв в маг ок; В окво, закрытое фолв- гов 194 ° л д ~ где Аг„— плотность молекул в верхнем состоянии; Лу — ширина линни усиления; А„— вероятность спонтанного излучения для перехода; Х вЂ” длина волны. Для зксимерных лазеРов Аз„ж 10'-:-10' с ', Х ж (2 —:3110 см, поэтому, задавшись пороговым значением усиления и ж 10 ' см ', получим, что для осуществления генерации требуется достаточно высокая концентрация эксимерных молекул М, ж рм 1Ом —;10" см '.
Для создания подобной плотности возбужденных молекул необходимо обеспечить значение плотности энергии накачки р„ж 10 ' Дж/смв за время, равное 1О в — 1О ' с, что может быть достигнута при пропускании через газ высокоинтеисивного пучка быстрых электронов или мощного импульсного разряда. В недалеком будущем важную роль, возможно, будет играть третий источник накачки — прямое возбуждение от источника ядерного излучения, Для прямой накачки ядерным излучением используют интенсивный поток нейтронов.
Нейтроны, взаимодействуя с ядрами атомов газа в самом лазере, создают высокоэнергетические заряженные частицы, Подученные и результате ядерных реакций частицы с высокой энергией ионпзуют н возбуждают лазерную среду точно так же„как это делают электроны. На рис. 6.20 представлена схема лазера с накачкой релятивистсккм электронным пучком. Электронная пушка состоит из высоковольтного импульсного источника питания, вакуумного диода, который формирует пучок, и окна, через которое электроны попадают в лазер. При этом возникает затруднение со вводом пучка в межэлектродяое пространство, где создается затем основной разряд, приводящий к инверсии, Это вызвано тем, что электронные пучки создаются в камерах, где давление не превышает 10 ' Па, а в межэлектродном пространстве лазера давление выше атмосферного.
Ввод пучка осуществляется через тонкую металлическую фольгу, разделяющую камеры высокого и низкого давления. Плотность тока з электронном пучке обычно составляет 5— 500 А1смв при общем токе 5 — 50 кА, а длительность импульса лежит в пределах от 50 ис до 1 мкс. Электроны электронного пучка, проходя через активную среду лазера„рассеиваются на ядрах и электронах газа, передают им свою энергию и создают возбужденные атомы и вторичные электроны. Далее ионизация и возбуждение газа осуществляются уже вторичными, более медленными электронами.
Образуются возбужденные молекулы в различных колебательных состояниях. В результате столкновений с нейтральными атомами происходит колебательная релаксация, стабилизирующая молекулы на нижних колебательных уровнях. Эатем, получив квант света, молекула распадается на два нейтральных атома. По сравнению с электронным пучком электрический разряд обеспечивает более высокие значения КПД накачки и средней мощности.
Получение более высокого КПД в электроразрядпых лазерах связано с тем, что можно с высокой точностью управлять условиями разряда и тем самым с большой эффективностью осуществлять прямую накачку метастабильиых уровней инертных газов электронным ударом, Более высокая средняя мощность обусловлена отсутствием яли уменьшением таких отрицательных факторов, как нагрев фольги и пинчевание (самосжатие) пучка.
Электрический разряд предпочтительно использовать в лазерах небольших размеров. Но накачка интенсивным релятивистским электронным пучком — относительно более простой метод, обеспечивающий очень высокую плотность мощности накачки, что позволяет получить более высокие выходные мощности, хотя аппаратура для получения электронных пучков громоздка и сложна в эксплуатации. Наряду с возбуждением электронным пучком и электрическим разрядом в последнее время получил развитие оптический метод накачки эксимериых лазеров, Преимуществом этого метода является отсутствие наведенных потерь в активной среде лазера, обусловленных поглощением излучения, образующимися под действием электронов, молекулярными ионами благородного газа.
Для оптической накачки используют эксимерное излучение, возбуждаемое электронным пучком, а также тепловые источники света тина импульсных кварцевых ламп и открытого сильноточного разряда. К настоя:цему времени запущено свыше десятка различных типов эксимерных лазеров как с накачкой электронным пучком„ так к с оптической и электронной накачкой. Эти лазеры дают излучение в диапазоне 120 — 1000 нм. Существенным достоинством эксимерных лазеров является возможность перестройки частоты генерации в широкой области спектра. Наибольшие достигнутые энергии и средняя мощность излучения в режиме повторяющихся импульсов в настоящее время получены в УФ-диапазоне на галогенидах инертных газов и составляют 350 Лж и !00 Вт при КПД соответственно 1О и 1оч.
С помощью эксимерного лазера на Кгр получена удельная энергия в импульсе излучения 40 Дж/л при 1КПД 10%. Ожидается получение в ближайшее время энергии излучения до 1 кДж. гВ 195 Одним из перспективных применений экснмерных лазеров яз ляется оптическая накачка другой лазерной среды, причем суще ственным моментом является возможность в некоторой степени управления по частоте. Рентгеновские когерентиые источники излучения найдут главным образом применение в диагностике очень плотной плазмы, микропроцессорах, биохимических н генетических исследованиях. Источники такого типа будут применяться в рентгеновской голографии, производстве компонент для микроэлектроники.
Использование эксимерных лазеров позволит также в значительной степени снизить стоимость разделения изо. тонов урана, Помимо перечисленных выше приложений эксимериые лазеры, по-видимому, будут использованы для очистки материалов, в химической диагностике и химическом синтезе, при осуществлении связи к в различных научных исследованиях. З.! !. ВОЛНОВОДГ!ЫЕ Л4ЗГРЫ Особое место среди электроразрядиых газовых лазеров высо кого давления занимают волноводные лазеры. Первые волиоводиые лазеры были созданы в начале 1970-х годов.
В настоящее время в волноводиых лазерах с различными активными средами получена генерация в диапазоне от УФ до далекой ИК-области. В лазерах этого типа диэлектрические боковые стенки, ограни чивающие активную область, не только служат для отделения рабочей газовой смеси от внешней атмосферы, но и создают волноводную структуру, вдоль которой распространяется генерируемое излучение. Волиоводный режим распространенна для Х = 0,1 —; —;10 мкм эффективно реализуется лишь в узких каналах с поперечнымн размерами не больше нескольких миллиметров. Поэтому в оптимуме рабочее давление в волноводных лазерах в соответ ствии с законом подобия существенно превышает уровень, обычный для непрерывных газоразрядиых лазеров на таких же активных средах, и достигает, например в волноводных лазерах из СО, с непрерывным возбуждением, десятков паскалей. С ростом концентрации активных частиц при переходе к волноводной схеме возрастают удельный энергосъем и удельная мощность излучения, что позволяет сохранить те же значения средней выходной мощности, что и в обычных газоразрядных лазерах, не.
смотря на существенную разницу в диаметрах активной области. Волиоводная геометрия резонатора лазера обладает рядом преимуществ, основные из которых: 1) высокая степень совпадения оптического объема с объемом области возбуждения; 2) увеличение диапазона плавной перестройки частоты излучения в результате ударного ушнреиия полосы усиления; 3) простота управления модовой структурой излучения !обусловлена уникальными особенностями волноводного резонатора); 41 малые размеры активной области.
Рнс. 6.21. Схема волновоаносо левера Рнс. 8.22. Прмнеры вонструнцна волновоаного ванала лаверов с немеренным вовбунаеннен Главной особенностью волноводного резонатора, отличающей его от открытых оптических резонаторов, является наличие в нем , двух областей с существенно различными режимамн распространения излучения: собственно волновода н свободного пространства между торцами волновода и зеркалами. При ваме1ценин волновода внутрь открытого резонатора, образованного парой зеркал с поперечными размерамн, существенно превышающими сечение волновала, моды с малыми потерями Формируются практически лишь з трех конфигурациях (рис, 6.21): 1 — зеркала с большими радиусами кривизны расположены вблизи торцов волновада; 11— зеркала с большими радиусами кривизны Я расположены йа расстояниях 0 от торцов валновода; 1П вЂ” зеркала расположены на расстояниях й12 от торцов волновада.
В случае ГП мода ЕН„ оказывается доминирующей, и настройкой волновала легко осуществить ее селекцию; в случае 1 и П селективность резонатора гораздо мен>,ше. Числа Френеля для валназадных резонаторов лв/~ХЦ < 1, структура излучения в дальнем поле и соответственно расхадимасть пучка волнаводнога лазера при работе в режиме 1П очень близки к соответствующим параметрам для обычного лазера, генерирующего на моде ТЕМсо. В настоящее время наибольшее распространение получили молекулярные волноводиые лазеры, и особенно на основе СО, Компактностсь низкие Рабочие напРЯжеииа и хаРошие эксплУатационные характеристики обеспечилп возможность широкого применения волиоводных лазеров на СО, в различных областях науки и техники. Первые валнавадные лазеры возбуждались продольным разрядом постоянного тока; активным элементом служил узкий круглый капилляр, заполненный активной средой; электроды размещались вблизи торцов капилляра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
