О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 27

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

Газові лазери використовують як поздовжній, так і попере­чний газовий розряд. Поздовжній розряд використовують для збудження малопотужних газових лазерів. Лазери з підвище­ним тиском використовують поперечний розряд, як правило, разом із поперечним продувом газової суміші через об'єм резо­натора. Поперечний продув є більш ефективним, оскільки до­зволяє досягти швидкої зміни більших об'ємів активного газу.

Газові лазери підвищеного тиску, в яких використовуються поперечні продув та розряд, отримали назву TEA- лазерів. Для збільшення ефективності використання робочого об'єму в цих лазерах використовують системи попередньої іонізації, які по­кращують рівномірність розряду та поліпшують його часові па­раметри. Як такі системи можуть бути електронні гармати, дже­рела УФ- випромінювання, різні типи несамостійних розрядів.

Чим більший тиск газу, тим більша об'ємна концентрація активних центрів і тим більша питома вихідна енергія. В лазе­рах низького тиску розширення спектральних ліній відбуває­ться переважно за рахунок ефекту Доплера й, отже, має нео­днорідний характер, а в лазерах із високим тиском за рахунок зіткнень, що визначає однорідний характер розширення.

Активний елемент розрядного газового ОКГ це скляна або кварцова трубка (кювета), діаметр якої коливається в рі­зних генераторах від 1 мм до кількох сантиметрів, а довжина — від кількох сантиметрів до кількох метрів. На кінцях труб­ки розміщені металеві електроди, причому катод робиться іноді з підігрівом для підсилення емісії. При використанні високоча­стотного розряду електроди, виконані у вигляді металевих па­сків, одягаються на трубку. Перші газові лазери широко вико­ристовували високочастотний розряд, але поступово від нього відмовились. Однією з причин цього були високі електромагні­тні перешкоди або шуми, які впливали на якість роботи оточу­ючого електронного устаткування.

Для підвищення концентрації збуджених активних центрів, збільшення густини струму накачування в газовому розряді тазбереження електронної температури використовують трубки-капіляри, всередині яких відбувається розряд. Оскільки тем­ператури газів у них доходять до кількох тисяч градусів, вони виготовляються із термостійких матеріалів (кераміки, кварца, графіту, оксидів алюмінію та берилію) і мають невеликі термі­ни роботи. Загальний вигляд газового лазера зображений на рис. 7.12.

1НІ1                               1

Рисунок 7.12 Загальна конструктивна схема газорозрядного лазера: 1 резонатори; 2 вихідні торці кювети; 3 кювета (колба) з робочим газом; 4 система живлення з електродами

 

 

Можливі два варіанти розташування дзеркал щодо газової кювети: всередині й назовні. Але у зв'язку з конструктивними і технологічними труднощами частіше використовується зовні­шнє розташування. Це призводить до більш критичних вимог до торців газової кювети — торці кювети, крім гарної якості повер­хонь, повинні мати мінімальні втрати. Торець газової колбице плоско-рівнобіжна скляна або кварцова пластина. Основні втрати потужності пов'язані із френелевим відбиттям від двох поверхонь пластинки під час проходження через неї світла. Як відомо, коефіцієнт френелевого відбиття від поверхні, що розді­ляє два середовища з різним показником заломлення, залежитьвід кута падіння випромінювання, відносного показника залом­лення й типу поляризації падаючого випромінювання.

Для боротьби із втратами в торцевій пластинці застосову­ється закон відбиття Брюстера. Торцеві пластинки розміщу­ють не перпендикулярно до осі трубки, а так, щоб нормаль до торцевої пластинки утворювала з віссю трубки кут Брюстера: Ов = tan n , де n показник заломлення матеріалу пластин­ки. Кут Брюстера, кут, при якому коефіцієнт відбиття дорівнює нулю у разі, коли площина поляризації падаючого випроміню­вання збігається із площиною падіння.

Крім розглянутих дифракційних втрат, залишаються втра­ти на поглинання в товщі матеріалу. Як відомо, втрати станов­лять близько 2% на 1см для скла й приблизно 0,2% на 1см для кварцу. Товщина вікон звичайно становить не менше 3 — 4 мм для забезпечення механічної стабільності.

Вимушене випромінювання взагалі не є поляризованим, однак добротність резонатора виявляється більшою для ви­промінювання певної поляризації, що задається розташуван­ням вихідних торців. Оскільки вимушене випромінювання збі­гається за типом поляризації зі стимулювальним випромінюва­нням, то в остаточному підсумку в резонаторі встановлюється поляризація, відповідна до розміщення брюстерівських вікон.

 

 

7.5.1.   Газові  лазери   на  нейтральних  атомах. Гелій-неоновий лазер

Узагалі лазери на нейтральних атомах відносять до ти­пу гелій-неонових оптичних квантових генераторів. Це лазери, безперервного режиму роботи з випромінюванням у червоній області спектра. Вони можуть реалізувати одномодові (TEM00) і багатомодові (TEMmn) режими роботи при потужності випро­мінювання від 15 мВт до 10 Вт з поляризованим та неполяризо-ваним випромінюванням. Лазерна генерація може бути отрима­на на багатьох нейтральних атомах, у тому числі й на інертних газах (He, Ne, Kr, Ar, Xe), які перекривають діапазон від 1мкм до 10 мкм. Вони є добре розглянуті в [17]— [19], [22], [32].

Також до ОКГ на нейтральних атомах відносять клас ла­зерів на парах металів (Pb, Cu, Au, Ca, Sr, Mn). Велике поши­рення серед них отримав лазер на парах міді та золота за здатність генерувати випромінювання в зеленій області спектра (0,51 мкм), що відповідає максимальній чутливості фотопри­ймачів та прозорості морської води. Так, як і гелій-неоновий лазер, він працює за трирівневою схемою другого роду. Вони володіють більш високими ККД (кілька відсотків) і більшими вихідними потужностями (десятки Вт), працюють переважно в імпульсному режимі. Також загальною рисою цих ОКГ є при­строї підігріву для переведення металів у пару при високих ро­бочих температурах (від 500° С до 1500° С).

Атомарні лазери можуть застосовуватися в контрольно-вимірювальній техніці, гетеродинних системах, поліграфії, го­лографії, медичній техніці, системах зв'язку, локації та в інших технологічних і лабораторних установках як джерело когерен­тного монохроматичного випромінювання.

Конструктивно більшість атомарних лазерів є простими і зручними в експлуатації. До складу лазерів входять випромі­нювач і високовольтне джерело живлення. В основу констру­кції випромінювача лазера закладений коаксіальний активний елемент із холодним катодом. Термостійкі дзеркала в активно­му елементі установлені методом твердого запаювання. Все це забезпечує високу надійність, довговічність і стабільні вихідні параметри лазера в цілому.

Гелій-неоновий лазер. Як приклад лазерів на нейтральних атомах розглянемо гелій-неоновий лазер. Він був винайдений у 1961 році американським фізиком А. Джаванном. У ньому ви­користовується суміш гелію й неону в співвідношенні прибли­зно 10:1; 5:1 при загальному тиску в трубці 130 Па. Індуковане
випромінювання створюється атомами неону, атоми гелію бе­руть участь у резонансній передачi енергії до атомiв неону. При збудженні газової суміші електричним струмом (постійним або змінним із частотою близько 30 МГц) виникає тліючий розряд. Спрощена схема робочих енергетичних рівнів гелію та неону наведена на рис. 7.13.

В електричному розряді частина атомів неону переходить із основного рівня Ei на тривалі збуджені рівні E4 й E5. ^версія заселеності створюється завдяки великій заселеності цих рівнів порівняно з нетривалим рівнем E3. На чистому неоні створенню інверсійної заселеності заважає майже метастабільний рівень E2, тому корисним виявилося введення в робочий газ атомів ге­лію.

Під дією електричного розряду частина атомів гелію іонізу­ється з утворенням плазми, що містить електрони з великою кінетичною енергією. Ці електрони, зустрічаючись із атомами гелію, переводять їх з основного стану Ei на тривалі збудже­ні рівні E2 і E3, які досить близькі за значенням до рівнів E4 і E5 атомів неону рис. 7.13. Тому при зіткненнях збуджених ато­мів гелію з незбудженими атомами неону виникає висока ймо­вірність резонансної передачі збудження, внаслідок чого атоминеону виявляються на рівнях E4 і E5 відповідно, а атоми гелію повертаються в основний стан. Імовірність збудження атомів неону до рівнів E2 і E3 за рахунок зіткнень із атомами гелію ма­ла, тому що енергії цих станів істотно відрізняються від енергій рівнів E4 і E5 гелію (набагато більше, ніж на kT).

Таким чином, використання допоміжного газу гелію дає можливість здійснити додаткове заселення енергетичних рівнів неону й отримати інверсію заселеності між верхніми лазерними рівнями E4 і E5 та нижнім лазерним рівнем E3.

Оскільки рівень E3 неону є нетривалим, то на переходах E5 E3 і E4 E3 можна отримати безперервну генерацію. Пере­ходу E4—E3 відповідає генерація з довжиною хвилі 1,153 мкм, а переходу E5 E3 в червоній області видимого спектра з дов­жиною хвилі 0,6328 мкм. Кожний з рівнів E3, E4 і E5 у дійсності складається з декількох (близько 10) проміжних рівнів, тому в видимій та ІЧ- області спектр гелій-неонового лазера може мі­стити близько 40 спектральних ліній. Виділення потрібної спе­ктральної лінії здійснюється підбором дзеркал оптичного резо­натора і введенням у резонатор селективного елемента.

Між рівнями E5 й E4 неону (рис. 7.13) є ще один нетрива­лий рівень, перехід атомів на який з рівня E5 дозволяє отримати генерацію на довжині хвилі 3,392 мкм.

У гелій-неоновому лазері робоча суміш перебуває в газоро­зрядній трубці, довжина якої може сягати від десятих до кількох метрів. Трубка виготовляється з високоякісного скла або квар­цу. Потужність генерації істотно залежить від діаметра трубки. З одного боку, зі збільшенням діаметра збільшується об'єм ро­бочої суміші, а з іншого зменшується електронна температу­ра плазми, що призводить до зменшення числа електронів, зда­тних збудити атоми газів (втрата потужності). Саме тому діа­метр розрядної трубки не перебільшує 10 мм.

Перевагами гелій-неонових лазерів є когерентність їх ви­промінювання, мала споживана потужність, невеликі габарити,висока монохроматичність і спрямованість випромінювання.

Основні недоліки невисокий ККД (0,001 — 0,1%) і низь­ка вихідна потужність. Причиною малого ККД є мала кванто­ва ефективність робочих переходів, яка визначається відноше­нням енергії випромінювального фотона до енергії збудження електрона на верхній лазерний рівень.

Підвищенню потужності заважають нелінійні залежності потужності випромінювання від тиску газової суміші та від струму розряду. Ці залежності мають оптимальні значення, оскільки збільшення тиску обмежується зменшенням еле­ктронної температури газу через зменшення величини вільного пробігу електрона. В результаті падає кількість збуджень верх­ніх рівнів атомів гелію та неону, а при розрядних струмах, біль­ших за 100 мА, підвищується ймовірність заселення нижнього лазерного рівня завдяки поступовій іонізації з рівня e2. Опти­мальні струми розряду в гелій-неонових лазерах відповідають 20 — 80 мА. Ці лазери можуть працювати й в імпульсному ре­жимі.

 

 

7.5.2.   Іонні лазери. Аргоновий лазер

В іонних лазерах робочі переходи відбуваються між енерге­тичними станами один раз, а іноді й двічі іонізованими атома­ми. Для підтримання високої концентрації іонів густина струмів розряду має бути набагато більшою за їх густину в нейтрально-атомарних лазерах. Тому накачування переважно відбувається за допомогою дугового розряду. Детальний аналіз конструкцій, механізмів збудження та створення інверсійної заселеності в іонних лазерах можна знайти в [17]— [19], [22], [32].

Енергетичний терм іонів набагато ширший, ніж у атомів. Завдяки більш широкій шкалі енергетичних рівнів лазери ефе­ктивно працюють у діапазоні від короткохвильової області ви­димого світла до УФ.За допомогою іонізованих інертних газів Ne, Ar, Kr и Xe в газових розрядах лазерна генерація досягається на більш ніж 250 спектральних лініях у діапазоні 175 до 1100 нм. При цьо­му, як правило, чим вищий стан іонізації, тим коротші довжи­ни хвиль випромінювання можна отримати. Причому необхідну густину іонів з високим станом іонізації можливо досягти тільки в імпульсному режимі.

Так, як і розглянуті вище лазери, їх можна розділити на дві категорії:

1)   іонні газові лазери, що використовують більшість інер­тних газів, серед яких характерним прикладом Ar+- лазер;

2)   лазери на парах різних металів, серед яких виділяється He Cd- лазер.

Аргоновий лазер. Головним представником іонних лазе­рів є аргоновий лазер, який здатен генерувати потужності вище 100 Вт в синьо-зеленій області спектра та до 60 Вт у ближній УФ - області. Він є одним із найпоширеніших комерційних ла­зерів і використовується в медицині, локації, наукових розроб­ках, військовій техніці, накачуванні рідинних лазерів і т. д.

Спрощена схема аргонового лазера зображена на рис. 7.14.

 

Для ефективного збудження ліній Ar+ в розряді потрібна густина електронів на рівні 10і4 см-3. Ця величина досягається за густини струму до 103 А см-2 у дугових розрядах низького тиску. Напруженість поля уздовж розряду має становити зна­чення порядку 4 В-см-і. Температура нейтрального газу може досягати 5 • 103° К. Високі густини струмів забезпечуються спе­ціальними лазерними трубками (3, рис. 7.14). Як правило, це керамічна трубка з водяним охолодженням, частіше з BeO речовини, що має добрі показники теплопровідності та термо­стійкості. В інших конструкціях розряд відводиться через воль­фрамові диски, що відводять тепло за допомогою мідних конта­ктів на розрядну трубку. Недоліком трубок з BeO є його сильна
отруйність.

Висока густина електронів призводить до виникнення їх взаємного відштовхування до країв трубки, що знижує густину струму. Для протидії цьому використовують фокусувальні ма­гнітні системи (5, рис. 7.14), які концентрують плазму, а отже і розряд, на осі трубки. Фокусування розряду також пом'якшує вплив високотемпературної плазми на матеріал трубки. Також густини струму можна досягти за допомогою додаткових ка­тодів, що розташовуються всередині трубки, анодами служать внутрішні конструкції охолодження з міді.

За наявності великих струмів розряду істотним стає явище катафорезу, при якому спостерігається значний дрейф іонів у бік катода і спричиняє перепад тиску в трубці. Для протидії цьо­му в мідних або вольфрамових дисках робляться отвори та ви­користовують обвідну трубку (4, рис. 7.14).

Для протидії зниженню тиску аргону в трубці, з часом робо­ти, вона під'єднується до компенсаторного резервуара. Тиск га­зу має бути на рівні 1 — 100 Па. На відміну від гелій-неонового лазера, в аргоновому можливе створення активних трубок ве­ликого діаметра.

Основний стан іона Ar+ з'являється шляхом видалення одного із шести 3p - електронів зовнішньої оболонки аргону. Збуджені стани 4s і 4p виникають, коли один з електронів, що залишилися на 3p5- оболонці переходять на 4s- і 4p- рівні. З урахуванням взаємодії з іншими 3p- електронами обидва рів­ні 4s і 4p, позначені як прості рівні, насправді складаються з декількох рівнів (відповідно 9 і 2). Збудження верхнього лазер­ного 4p- рівня відбувається за два етапи, що містять у собі зі­ткнення з двома різними електронами. При першому зіткненні аргон іонізується, тобто переходить в основний стан іона Ar+. Іон, що перебуває в основному стані, зазнає друге зіткнення з електроном, яке може привести до одного з трьох процесів:

1)   Ar+ безпосередньо збуджується на 4p- рівень (процес а на рис. 7.15);

2)   збудження Ar+ на більш високо розташовані стани з на­ступними каскадними переходами на рівень 4p (процес b на рис. 7.15);

3)   збудження Ar+ на метастабільні рівні з наступним третім зіткненням з електроном, що призводить до збудження на 4p-рівень (процес с нарис. 7.15).

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка