Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Но наибольшие коэффициенты усиления и высокие мощности в широком диапазоне излучения достигнуты в лазерах на молекулах СН,Р; СНзОН; НСООН; НН„' О,О. Следует отметить, что низкие рабочие давления () — !00 Па) н маленький квант излучения не позволяют ожидать получения больших выходных энергий даже в самом оптимальном случае, Прн возбуждении электрическим разрядом генерация в дальнем ИК-диапазоне может быть получена на переходах в нейтральных атомах и на переходах в молскулах. Для получения генерации на переходах в нейтральных атомах используются газы Не, Не и Хе.
Но наибольший практический интерес представляет генерация в молекулярных газах при их возбуждении электрическим разрядом. Гейерация получена в НСН, НзО, ЯО„НзБ, ОСЬ, НН, в диапазоне Х ж 30 —." 2000 мкм. Неясность в механизме образования 201 инверсии, требование малых давлений для ее существования препятствуют получению мощной лазерной генерации. Малыми рабочими давлениями при небольших эффективностях накачки вызвана также необходимость использования многометровых разряд. ных трубок, что усложняет работу подобных лазеров. В импульсном режиме максимальная пиковая мощность Р ж 5 кВт (т =- = 1 мкм, Х =- 28 мм) была получена при возбуждении паров воды (р ж 133 Па) в трубке с длиной 3,9 м, диаметром 7,5 см.
В непрергявиом режиме при возбуждении электрическим разрядом мощность длинноволнового излучения обычно меньше нескольких милливатт. Исключение представляют данные о мощности излучения в десятки и даже сотни милливатт, достигнутой при непрерывной генерации на отдельных линиях НС5), Н„О и О,О. Максимальная мощность Р ж 600 мВт на Х 337 мкм в ЙС)ч при токе разряда 1,2 А в охлаждаемой водой разрядной трубке длиной 6,5 м и диаметром 10 см. Наиболее перспективными среди источников излучения длинно- волнового ИК-излучения представляются лазеры с оптической накачкой и генераторы на резонансном вынужденном комбннаиион.
ном рассеянии (ВКР), допускающие при высокой эффективности непрерывную перестройку. Кроме областей физических исследований излучение дальнего ИК-диапазона может кайтн применение в молекулярной биологии — при исследовании движений крупных молекул, мембран и более сложных структур. Одним из возможных технических приложений дальнего ИК-излучения мажет быть получение изображений предметов, скрытых от прямого наблюдения (неразрушающнй контроль в промышленности, медицине и т. п.). Г л а в а 7 ЖИДКОСТНЫЕ ЛАЗЕРЫ Жидкие среды широко используются в качестве активного вещества лазеров. Отличительной особенностью отдельных жидкостей является то, что онн имеют широкую линию рабочего перехода.
Зто обстоятельство позволяет с помощью оптических диспергирующих элементов осуществлять перестройку длины волны излучения в пределах линии рабочего перехода. Подбором матрицы жидких активных элементов, число которых в настоящее время исчисляется десятками, возможно пояучение излучения лавера в широком спектральном интервале от УФ-лучей (Л— = 0,34 мкм) до ближнего ИК-диапазона (Л = 1,17б мкм) с полосой плавной перестройки в пределах до 100 нм, а иногда и более. Жидкостные лазеры имеют высокую эффективность излучения, составляющую несколько процентов и превышающую эффективность твердотельных лазеров. 7.1.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И ОСОВЕННОСТИ ЖИДКОСТНЫХ ЛАЗЕРОВ Е качестве активной среды, представляющей собой квантовую систему, в жидкостных лазерах используются неорганические жидкости и растворы органических красителей. По виду оптической накачки жидкостные лазеры бывают с ламповой или лазерной накачкой. Посредством оптической накачки в квантовой системе создается инверсия населенности, минимальное значение которой, необходимое для работы лазера, может быть определено по формуле Л1У м = К бЛтй( ), (7.1) где К вЂ” постоянная величина; ЛЛ вЂ” ширина линии спонтанного излучения; т — время жизни рассматриваемого перехода; 1р— время затухания энергии в оптическом резонаторе (постоянная резонатора).
Числитель выражения (?.1) характеризует квантовую систему, знаменатель — оптический резонатор, у которого потери должны быть сведены к минимуму для получения большого значения величины 1 . Из множества активных жидких сред необходимо выбрать такие, которые имеют высокий квантовый выход люминесценции, небольшую ширину линни излучения и высокую оптическую однородность.
Кроме гага, квантовая система должна обладать широкой полосой поглощения для получения доста2оз точной инверсии населенности соответствующих энергетических уровней. Наиболее эффективно жидкостные лазеры работают з режиме излучении корогких импульсов длительностью 10 — 30 ис. Это обьясняется тем, что возбужденные частнпы, находясь иа верхнем лазерном уровне, могут перейти в основное состояние либо с излучением кван~а энергия, либо беэызлучасельио с потерей энергии через так называемый триплетный уровень. Постоянная времени перехода частип на трнплетный уровень равна несколь. ким десяткам наносекунд.
Поэтому при длительности импульса накачки в 15 — 20 нс лишь небольшая часть возбужденных частик перейдет на триплетныя уровень н не будет участвовать в излучении. Остальная же, большая часть возбужденных частик перейдет на нижний уровень с излучением квантов энергии.
7.2. ЛАЗЕРЫ НА НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ Хелаты редкоземельных элементов используются в жидкостных лазерах в качестве активной среды. Халат представляет собой металлоорганнческий комплекс, в котором следует различать энергетические уровни органических лигзндоэ и металлического иона, являющегося активатором. Возбуждение активного металлического иона может быть прямым нли непрямым. В последнем случае энергия возбуждения передается иону от органического ляганда. Непрямое возбуждение является более эффективным, Эффективность передачи энергии зависит от степени перекрытия энергетического триплетного состояния возбужденного лиганда возбужденным состоянием активного иона.
Лнганд возбуждается посредством оптической накачки, Первым успешно примененным хелатом в качестве активной среды был бензоилацетоиат евроция, растворенный в смеси мети. лового и этилового спиртов. Раствор охлаждался до температуры — 150'С. В качестве активатора служили ионы европия. Оптическая накачка осуществлялась импульсной лампой, энергия которой поглощалась хелатом. Кювета с хелатом помешалась в резонатор, представляющий собой пару сферических зеркал. Раствор хелата поглощал преимущественно УФ-излучение, а лазер излучал на длинах волн Х, = 0,6131 мкм и Х, = О,б!оО мкм с шириной линии около 10 ' мкм.
Затем было получено лазерное излучение и на других хелатах редкоземельных элементов. Однако энергия лазерного излучения достигала нескольких миллиджоулей, а повысить ее не представлялось возможным в силу ограничения со стороны хелатон. К тому же опн работалн при охлаждении, что создавало дополнительные трудности. Роль жидкостных лазеров на хелатах состояла в том, что они указали на возможность применения жидких активных сред в лазерах и на них был отработан механизм передачи энергия возбуждения нона от органического лигапда.
20% Дальнейшие поиски активных сред привели к созданию жидкостных лазеров на свободных редкоземельных ионах, находящихся в растворителе. Ионы являются квантовой системой, опре, деляющей излучение лазера, а растворитель играет роль матрицы и практически ие влияет на структуру электронных уровней ионом В отличие от хелатного лазера в жидком растворе, содержащем 'свободные ионы, оптическая накачка осуществляется исключительно через собственные полосы поглощения иона.
В качестве активатора использовались ионы неодима 5)с)зО„ имеющего относительно широкие полосы поглощения, а поэтому оптическая накачка происходила достаточно эффективно. В качестве растворителей для 1чб,О, использовался хлористый селенил (БеОС1.) илн хлористый фосфорил (РОС1,). Растворитеаи прозрачны н диапазоне 0,4 — 3,0 мкм и поэтому не поглощают энергию оптической накачки в области поглощения активных ионов, а также не поглощают энергию излучения иона с =- 1,066 мкм.
но в то же время хорошо растворяют при комнатной ; температуре ЩО,. Эмиссионные свойства ионов Жс(а' в жидкой матрице такие же, как н в кристаллической, но намного превосходят свойства неоднма в стеклянной матрице. Основным лазерным ' переходом является 'Г,л -э- '1пп (см. рис. 5,9) с длиной волны излучения А — 1,056 мкм. Жидкостный неодимовый лазер может работать в стационарном режиме без прокачки н с прокачкой активной среды. Прокачка осуществляется для охлаждения среды, поскольку она сильно нагревается во время оптической накачки и особенно имеет сильный нагрев, когда используется ламповая накачка.
Применяется, как правило, замкнутая система прокачки активной среды с теплообмеиикком, позволяющая работать жидкостному лазеру с повышенной частотой следования импульсов излучения, Сравнивая КПД жидкостного неодимового лазера (сч с)з"; : РОС1,) и кристаллического иеодимового лазера (5)б": ИАГ), . следует отметить, что в широком диапазоне энергий накачки у ' последнего лазера КПД все же выше в 1,5 раза. Жидкостный иеодимовый лазер с прокачкой активной среды представляет практический интерес. На нем могут быть получены импульсы мощностью от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Особо следует отметить, что при сравнительно высоком КПД ' жидкостный неодимоный лазер способен обеспечить большую ча; стогу повторения импульсов пря высокой мощности излучения.
. Именно зто обстоятельство выгодно отличает жидкостный неодимовый лазер от твердотельных. 7.3. ЛАЗВРЫ НА РАСТВОРАХ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ Эта группа лазеров занимает особое место не только среди жидкостных лазеров, но и среди всех типов лазеров благодаря присущей этим активным средам большой ширины линии излучения, Ж6 ф Ю~ 6~ гг 8 ггеинин ценци нуяген инрцки вм нее- Еен йеи- что позволяет создавать на их основе лазеры оптического когерентного излучения, перестраиваемые в широком спектральном диапазоне. Красители представляют собой сложные органические соединения, сильно поглощающие свет видимого диапазона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
