Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 115
Текст из файла (страница 115)
Гелий, как буферный газ, является резервуаром возбуждения неона. Неон нельзя возбудить прямым переходом на уровни Е, и Е, из-за долго живущего метастабнльного уровня Етм Инверсия населенностей достигается за счет долгоживущих уровней Ет и Еь Именно переход с них на уровень Е, позволяет получить стимулированное излучение в красном и инфракрасном диапазонах длин волн. Рис. З.В. Уровни ввергни вовбухтления атомов гелия и неона ~взкм зто~ Часть IП.
Квантовая и оптическая электро ника Опустошение короткоживущего уровня Ез неона происходит путем соударений атоь, мов неона со стенками разрядной трубки, что переводит их на уровень Еь С этой целью п, од. бираегся оптимальный лиаметр газоразрядной трубки (до 10 мм), Генерация в краси ном диапазоне происходит на длине волны 0,63 мкм (632)) А). Также возможна генерация „ лучения гелий-неоновых лазеров иа ллине волны 1,15 и 3,39 мкм. В настоящее врем„п получена генерация на более чем 450 переходах между уровнямн нейтральных атомов Л мимо гелий-неонового лазера весьма популярен ксеноиовый лазер, генерирующий „, длине волны ). = 3,5 мкм, и гелий-ксеноновый 1). = 2,02 мклз).
Эти лазеры работают в „ прерывном режиме, который обеспечивается газоразрядной накачкой. Газовые лазеры работают в широком диапазоне длин волн (от 100 нм до 1000 мкм) и мощностей излучения (от 100 мкВт до 1 МВт) в непрерывном режиме и до 1 ТВт в и . пульсном режиме. 3.2.2. Ионные лазеры Ионкьш лазеРы имеют в качестве Рабочих веществ нонизиРованные инеРтные газы (Хе Кг, Аг, Хе), а также ионы фосфора, серы, хлора, кадмия, цинка и др.
В ионных газовых лазерах лазерные переходы происходят между уровнями одно- или двукратно ионизированных атомов, Этому способствуют большие плотности тока при ионизации газов. Инверсия населенностей уровней осуществляется между уровнями Е, и Е,. Уровень Е, с большим временем жизни сильно заселяется возбужденными атомами. Атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми электронами в газовом разряде, а также путем перехода с полосы Е, грис. 3.10). Рис. ЗЛО. Схема УРовиви, испол~зуемых я ионных лазерах он быстро Уровень Е, имеет короткое время жизни относительно уровня Еь и поэтому он капилляр опустошается. для сильной ионизации газа ток поопускают через длинный к' нтрации который охлаждается из-за большой выделяемой энергии.
для увеличения конце элеьгронов в центре капилляра создается продольное магнитное поле, которое с хем иониоРазряд и предохраняет стенки от разрушения. На рис. 3.11 приведена одна из схем го лазера. 64? ч Типылвзвров Рис. 3,11. схема ионного лазера на аргоне. 1 — трубка обратной циркуляции газа Первичные электроны генерируются катодом и на своем пути в разрядной трубке ионизируют газ. Для компенсации перекачки газов используют длинную трубку, которая не шунтнрует газовый разряд. разряд в газе возбуждается постоянным, либо переменным высокочастотным полем.
Наибольшее распространение получил аргоновый лазер, Он генерирует в сине-зеленой части спектра на ллинах волн 0,488 и 0,514 мкм. Аргоновые лазеры могут излучать и в уф-части спектра (0,340 — 0,370 мкм). Мощность излучения достигает киловатта. Арго- новый лазер может работать как в непрерывном, так и импульсном реткимах. Криптоновые лазеры генерируют излучение в красной части спелтра (0,65 — 0,86 мкм), 3.2.3. Молекулярные лазеры Лголехуллрньге лазеры представляют собой оптические квантовые генераторы, в качестве акгивного вещества которых используются молекулы, В отличие от атомов, молекулы газов имеют кроме электронных энергетических уровней также колебательные и враща- тельные. Первый молекулярный лазер был реализован на смеси молекулах углекислого газа п азота.
Молекула СО, имеет три частоты собственных возбуждаемых колебаний, которым соответствуют уровни Ет, Е„Ез (рис. 3.12). Заселение этих уровней происходит вследствие нескольких одновременно протекающих процессов. Молекулы углекислого газа возбуждаются при соударении с быстрыми электронами в газовом разряде.
Одновременно вводится азот и в газовом разряде происходит ионизация молекул азота и углекислого газа. Возбуждается уровень Е, в молекуле азота и уровень Е, в молекуле углекислого газа. Молекулы азота возбуждаются весьма интенсивно и энергию возбуждения резонансно передают молекулам СО,. Еще большую инверсную заселенность уровня можно достичь введением в газовую смесь "езня.
Благодаря большой теплопроводносги гелия понижается температура смеси в ох'заждаемом рабочем объеме. Это уменьшает тепловое заселение уровней и возвращает молекУлы СО с самых высоких колебательных УРовней на УРовень Еи дальнейшем происходит переход с полосы уровней Е, на нижележащие уровни с одновременным излучением. Г1ричем генерация возникаег на большом числе переходов молекулы СО, в интервале воли от 9 до 18 мкм. На рис. 3.13 приведена схема мощного лазера. В электрическом разряде имеют место нежелательные эффекты, такие как разогрев газа и диссоциация его молекул.
Эти паразит'тые эффекты устраняются тем, что газовая смесь непрерывно прокачивается через разрядные трубки лазеров с целью регенерации газовой смеси. Часть 1П. Квантовая и оптическая электрон „ 548 Рис. 3.12. Схема уровней молекул углекислого газа и азота Рис. 3.13. Схема мощного СОг лазера: 1 — зеркала радиатора, 2 — блок управления лазером с системой блокировки; 3 — источник питания; 4 — смвсигепь газов; 5 — блок управления водяным охлаждением, б — система поворотных призм; 7 — система прокачки; 8 — аиодный блок, 9 — многократно свернутый оптический резонатор; 10 — лазерный луч Газовая смесь прокачивается через разрядные тр>бкн, составляющие многократно о евер нутыи оптический резонатор С одного метра активной среды такого лазера можно полУ ышенн' чить лазерное излучение мощностью более 50 Вт на длине вотны !0,6 мкм.
Повыш удетьной мощности можно получить путем интенсивного охлаждения рабочей смеси. азрядв Лазеры, в которых возбуждение рабочей смеси достигается за счет возбуждения Ра " „вине высокого давления и пучком быстрых электронов с энергией до 500 кэВ, носят наз -с еды элеюпроиоипзациопныт СОз —,лазеров В таком типе лазеров с одного метра активной сР можно снять до 100 Дж н достигнуть максимальной энергии свыше 10 кДж. 3. Типы лазеров 549 Особую техническую трудность представляет вопрос лазерных зеркал. Их делают из кристаллов КС1, ХпЯе, Сг)Те, п-ба, МаС!, Большая выходная мощность излучения выводится не как обычно, через полупрозрачное зеркало, а через прозрачное для ИК-излучения окно в зеркале. В этом случае изготовляют охлаткдаемые водой зеркала из бронзы, молибдена и других металлов.
Помимо молекулярных лазеров на СОз разработаны лазеры на моноокиси углерода СО, на парах воды, работающие на длинах волн Х = 27,9 мкм, Х = 118,6 мкм. В далеком ИКдиапазоне (Х = 337 мкм) работают лазеры на молекулах 1! Ск1, Коэффициент полезного действия молекулярных лазеров лежит в пределах 20 — -40%, а максимальная мощность 100 кВт и более. З.2.4. Эксимерные лазеры Эксмиерный лазер — газовый лазер, активнав среда которых представляет собой электронные переходы эксимерных молекул. Эксимерные молекулы существуют только в электронно-возбужденном состоянии.
Основному электронному состоянию таких молекул соответствует разлетный терм. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия Е атомов эксимерной молекулы от меткядерного расстояния Л является монотонно спадающей функцией (рис. 3.14). Для возбужденного электронного состояния, которое является верхним уровнем лазерного перехода, имеется минимум. Этот минимум и определяет существование зксимерной молекулы. Время жизни возбужденной эксимсрной молекулы определяется временем ее радиационного распада. Нюкнсе состояние лазерного перехода опустошается в процессе разлета атомов эксимерной молекулы.
Газ, содержащий эксимерные молекулы, является активной средой. Эксимерные молекулы, как правило, представляют собой короткоживущие соединения атомов инертных газов пру г с другом, с галогенами и кислородом. Конструкция эксимерных лазеров типична для газовых лазеров. Возбуждение активной среды производится электронными пучками, газовым разрядом, оптической накачкой пли комбинацией этих способов. Длина волны излучения лежит в видимой или ближней УФ-области спектра. В табл. 3.2 ггриведсны некоторые параметры лазеров на наиболее распространенных эксимерных молекулах. Рис. ЗЛ4. Зависимость энергии Е зксимерной молекулы от межетомного расстоянии Я Часть й!, Квантовая и оптическая электрона„ 550 Особенностью зксимерных лазеров является высокое значение ширины линии усилена„ активного перехода.
Это обстоятельство позволяет создавать мощныс лазеры ллин вол, УФ-диапазона. Одновременно можно производить плавную перестройку длины волн, достаточно широком диапазоне. Особой мощностью обладают эксимерные лазеры „ основе Р,. Например, КгР-лазер имеет выходную энергию в импульсе до 100 кДж и дл„ тельностью импульса порялка 1 нс, что позволяет использовать его в экспериментах „ термоядерному синтезу. Таблица 3.2. Параметры эксимсрных лазеров 3.2.5. Газодинаааичеокие лазеры Газодиканнческнй лазер — газовый лазер, в котором инверсия населенностей созлается в системе колебательных уровней энергии молекул газа с помощью адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью.
Другими словами, в качестве ак~ивной среды используется быстро охлаждаемая смесь газов, " , инверсная населенность уровней в которой достигается при следующих условиях: ь3 скорость опустошения нижнего уровня лазерного перехода выше скорости опусю" сюше- ния внешнего уровня; ь3 время опустошения верхнего уровня больше времени движения газа в резонатор~. овней. Эти условия обеспечивают так называемую инверсию населенностей верхних уров На рис. 3.15 приведена схема газодннамического лазера. слителя. В камере сгорания сжигается углеводородное топливо с воздухом в качестве окисл зв ковой Нагретая газовая смесь аэродинамическими срелсгвами разгоняется до сверхзлу' ют свой скоРости 1-1,8 км/с) и Резко РасшиРЯегсЯ. МолекУлы газа СОи Ат, Хе опУстошаю онатор инверсный уровень, что создает условия для генераш1и излучения.
Оптический резо~ 3. Типы лазеров 551 зеркала которою параллельны потоку, имеет значительные размеры и способен усиливать колебания на длинах волн Л, = 18,4 мкм, Лз = 16,7 мкм, Л, =- 16.2 мкм. На СО-лазере полу- чено излучение на длине Л = 5 мкм. В непрерывном режиме газодинамические лазеры позволяют получать излучение мощ- ностью -10 кВт при КПД-!%. Рис. 3.16. Схема газодннамнческого лазера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
