- •Лазерная техника Содержание
- •1. Газовые лазеры (гл)
- •Классификация гл
- •1.2. Некоторые сведения из физики газового разряда
- •1.2.1. Понятие плазмы газового разряда
- •1.2.2. Основные элементарные процессы в плазме гр
- •1.2.3. Понятие устойчивости гр
- •1.2.4. Описание гр с помощью вольтамперной характеристики (вах)
- •1.2.5. Несамостоятельный гр и его применение в гл
- •1.2.6. Самостоятельный гр и его применение в гл
- •1.2.7. Особенности конструкции гл с самостоятельным гр
- •1.2.8. Использование переменных полей для возбуждения гл
- •1.2.9. Импульсный гр и его применение в гл
- •1.3.1. Схема энергетических уровней молекулы , участвующих в процессе лазерной генерации
- •1.3.2. Создание инверсии на лазерных переходах
- •1.3.3. Формирование частотного спектра лазерного излучения
- •1.3.4. Зависимость мощности генерации со -лазера от температуры активной среды
- •1.3.5. Диффузионное охлаждение рабочей смеси
- •1.3.6. Многолучевые системы на базе диффузионного лазера
- •1.3.7. Конвективное охлаждение рабочей смеси
- •1.3.8. Импульсные -лазеры
- •1.3.9. Газодинамические -лазеры
- •1.5. Химические лазеры
- •1.5.1. Основные требования, необходимые для прямого преобразования химической энергии в световую
- •1.6. Атомарные лазеры (Не-Ne-лазер)
- •1.7. Ионные лазеры (Ar-лазер)
- •1.8. Лазеры на самоограниченных переходах
- •1.9. Эксимерные лазеры
- •2.Твердотельные лазеры с оптической накачкой
- •2.1. Общие характеристики и особенности генерации твердотельных лазеров с оптической накачкой
- •2.2 Рубиновый лазер
- •2.3. Лазеры на стекле с неодимом
- •2.4. Лазеры на гранате с неодимом (иаг-лазеры)
- •3. Полупроводниковые лазеры
- •3.1. Вынужденное излучение в полупроводниках
- •3.2. Создание инверсии в полупроводниках
- •3.3. Лазеры на гомоструктурах
- •3.4. Лазеры на гетероструктурах
- •4. Лазеры на растворах органических красителей
- •4.1. Лазерные красители
- •4.1.1. Общие сведения
- •4.1.2. Поглощение света лазерными красителями и их флуоресценция
- •4.1.3. Пути дезактивации возбужденных молекул красителя
- •4.1.4. Распространенные красители
- •4.2. Условие генерации
- •4.2.1. Режим многократного прохождения излучения в резонаторе
- •4.2.2. Режим сверхизлучения
- •4.3. Системы накачки
- •4.3.1. Поперечный способ накачки
- •4.3.2 Продольный способ накачки
- •4.4. Дисперсионные резонаторы лазеров на красителях
- •4.4.1. Резонаторы с дифракционной решеткой
- •4.4.2. Резонаторы с оптическими призмами
- •4.4.3. Резонаторы с интерферометром Фабри-Перо
- •4.4.4. Лазеры на красителях с распределенной обратной связью
1.7. Ионные лазеры (Ar-лазер)
Получение генерации возможно не только при переходах между уровнями нейтральных атомов, но и ионов. В настоящее время получена генерация на переходах между уровнями ионов более 30 химических элементов. Наибольшее распространение среди ионных лазеров получил аргоновый лазер, использующий переходы между электронными состояниями иона Ar+, отвечающие видимой области спектра ( = 0,455 — 0,515 мкм).
Полное число уровней и процессов, участвующих в создании инверсной заселенности в ионе Ar+, весьма велико. Поэтому рассмотрим принцип работы аргонового лазера с помощью упрощенной схемы (рис. 37), уровни Зp и Зр 4s которой включают в себя все уровни конфигураций 4р и 4s. Возбуждение верхних лазерных уровней Аr+ происходит в газовом разряде ступенчато в результате двух столкновений атомов с электронами. Первое столкновение ионизирует атом, второе — возбуждает его:
Аг + е Аг (Зр ) +2е, (1.49)
Аr (Зр ) + е Аг (3p 4p)+е,
Радиационное время жизни верхних лазерных уровней (~10 с) существенно больше, чем нижних (~10 с). Именно это обстоятельство и позволяет создать стационарную инверсию между целым рядом уровней указанных конфигураций.
Образование возбужденных ионов происходит при столкновении электронов с ионами в основном состоянии. Поэтому плотность частиц на верхнем лазерном уровне
N = k n n =z; = k n ~j (1.50)
где k — константа возбуждения; , — радиационное время жизни верхнего лазерного уровня. Вблизи порога мощность генерации W~K ~N ~j . Точный расчет с учетом конкретных констант процессов дает следующую взаимосвязь удельной объемной мощности излучения W/V (Вт/см ) с плотностью тока j(А/см ):
W/V=10 j (1.51)
Такой характер зависимости мощности излучения от тока имеет место лишь в случае отсутствия полной ионизации газа. При оптимальных значениях давления газа 0,5 торр и диаметрах разрядных трубок 0,1-1 см величина W/V может достигать значения 1-10 Втlсм . Хотя в литературе описаны образцы с мощностью излучения до 150Вт, мощность промышленных Ar-лазеров, как правило, не превьппает десятков Вт. При квантовом КПД 7% полный КПД Ar-лазеров не превышает обычно 0,1%.
Как видно из рис. 37, высокие удельные параметры Ar-лазера возможны лишь при высоких плотностях токов, т. е. при использовании дуговых разрядов. Это обстоятельство сказывается на конструкции ионных лазеров. Для обеспечения однородного сильноточного разряда разрядную трубку приходится делать в виде достаточного тонкого капилляра. Иногда для достижения максимальной концентрации заряженных частиц разрядный капилляр помещают в продольное магнитное поле. Ряд проблем возникает в Ar-лазерах из-за эффекта переноса ионов Ar от анода к катоду. В результате этого вдоль разрядной трубки образуются большие градиенты давления и для ликвидации их приэлектродные области разряда приходится соединять длинной обводной трубкой, по которой газ возвращается обратно в прианодную зону. Однако основная проблема создания мощных Ar-лазеров заключается в преодолении высоких тепловых нагрузок. Для получения излучения мощностью 10 Вт необходимо подвести к трубке 10 кВт электрической энергии. Температура ионов в разряде составляет при этом 3000 К. Это приводит к серьезному усложнению конструкции и сокращению ресурсных характеристик ионных лазеров.
Несмотря на ограниченную мощность, излучение Ar-лазера можно сфокусировать в пятно с плотностью мощности Вт/см . Это позволяет с успехом использовать их в промышленности, в частности для скрайбирования тонких пленок в микросхемах. Широкое применение Ar-лазер находит также в медицине и научных исследованиях.
Среди других наиболее интересных для практических целей ионных лазеров необходимо назвать криптоновый лазер, излучающий мощность ~100мВт в красном и желтом участках видимого спектра, а также гелий-кадмиевый лазер, линии излучения которого 0,417 и 0,325 мкм лежат в видимой и ультрафиолетовой частях спектра. Эти лазеры в основном представляют интерес для научных исследований, а также для биологии и медицины.