- •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
1.3.1. Схема энергетических уровней молекулы , участвующих в процессе лазерной генерации
Это самый яркий представитель молекулярных лазеров. Генерация была впервые получена в 1964 г. С. Пателом. Им же предложено объяснение механизма получения генерации.
Молекула углекислого газа имеет три типа колебаний (рис. 20) — симметричные, деформаиионные и несимметричные. Эти типы колебаний также называются модами.
Рис. 21
называется поляризацией деформационного колебания и отмечается верхним индексом у ее колебательного квантового числа где 1 = 0 условно соответствует колебанию в плоскости х, а 1=1 — колебанию в плоскости у. Таким образом, колебательное состояние молекулы СО обозначают тремя квантовыми числами трех мод, которые располагают в строго определенном порядке (v ,v ,v ).
Схема колебательных уровней молекулы СО , участвующих в процессе генерации лазерного излучения, представлена на рис. 21:
В СО2-лазере генерация осуществляется на двух лазерных переходах:
на 00 1-10 0 с длиной волны излучения 10,6 мкм и на 00 1-02 0 с длиной волны излучения 9,4 мкм.
Поскольку вероятность спонтанного распада верхнего лазерного уровня 00 1 равна А = 5,1 с , то основную роль в заселении и расселении уровней играют столкновительные процессы.
1.3.2. Создание инверсии на лазерных переходах
Чтобы добиться инверсии на лазерных переходах поступают следующим образом:
1. В газ молекул СО добавляют азот (N ). Дело в том, что верхний лазерный уровень 00 1 молекулы СО почти точно совпадает по энергии с колебательным уровнем v=1 в основного электронного состояния молекулы N . И это совпадение используется следующим образом:
• Молекула СО хорошо возбуждается в газовом разряде электронным ударом в состояние 00 1. Но еще лучше (эффективнее) возбуждается молекула N в свое состояние v = 1. При столкновении невозбужденных молекул СО и возбужденных молекул N возбуждение от N передается к СО молекулам. Таким образом, в смеси углекислого газа с азотом, в которой возбужден электрический разряд, заселение верхнего лазерного уровня 00 1 молекул СО происходит одновременно по двум каналам. Первый представляет заселение данного уровня непосредственно электронным ударом молекулы СО , а второй — его заселение через столкновение этой молекулы с возбужденной молекулой N .
• Тушение возбужденных состояний 00 1 (СО ) и v=1 (N ) при различных столкновениях более эффективно идет у СО . Если в рабочей смеси присутствуют молекулы воды, то тушение азота идет тоже хорошо, но если их нет, то азот служит как бы аккумулятором энергии в газоразрядных камерах большого объема (чтобы не было тушения на стенках). Поэтому присутствие азота хорошо поддерживает уровень 00 1 у СО в возбужденном состоянии. Напротив, о присутствие молекул воды на этом свойстве азота сказывается отрицательно.
2. В газ СО кроме азота добавляют еще гелий (Не). Это делают по следующим причинам:
• Дело в том, что для поддерживания стационарной генерации нижние уровни лазерных переходов (02 0 и 10 0) необходимо эффективно расселять. Это и осуществляется с помощью гелия. Вообще говоря, это хорошо делается и с помощью воды, но выше уже отмечалось, что молекулы воды тушат возбужденные молекулы азота.
• Вторая функция гелия заключается в том, что он обеспечивает хороший теплоотвод от рабочей смеси за счет своей высокой теплопроводности и тем самым оказывает стабилизирующее действие на ГР.
3. Имеет место благоприятное стечение обстоятельств, заключающееся в том, что энергия, необходимая для поддержания самостоятельного тлеющего разряда, близка энергиям уровней 00 1 (СО ) и ν =1 (N ). Поэтому весь процесс создания инверсии идет очень эффективно ( 80% выделяемой в разряде электрической энергии идет на возбуждение верхнего лазерного уровня).
4. Подбирают оптимальное соотношение между компонентами газообразной смеси СО N -Не. Обычно оно составляет 1:2:3, иногда 1:2:6. Конкретное соотношение зависит от многих условий. Вообще этот подбор представляет очень сложную задачу по оптимизации работы лазера и проводится отдельно в каждом конкретном случае.
5. В некоторых случаях рабочую смесь прокачивают через разрядную камеру. Дело в том, что в процессе лазерной генерации сильно идет диссоциация молекул СО в реакции:
2 СО =2СО+О ,
поэтому смесь и заменяют. Но в настоящее время в лазерах средней мощности смесь регенерирует химическим путем, и лазеры изготовляются автономными (отпаянными). Для этого в рабочую смесь добавляют около 1 % воды и генерация осуществляется, как предполагают, по схеме:
Н,О=ОН+Н,
СО+ОН = СО +Н.
Здесь имеет место компромисс: хотя вода и ухудшает аккумулирующее свойство азота, зато лазер становится автономным и удобным в работе.