Газовые лазеры

СОДЕРЖАНИЕ:

Газовый лазер режим работы. Смотреть что такое «Газовый лазер» в других словарях

Основным рабочим компонентом любого лазерного устройства является так называемая активная среда. Она не только выступает источником направленного потока, но и в некоторых вариантах может значительно его усиливать. Именно такой особенностью и обладают газовые смеси, выступающие активным веществом в лазерных установках. При этом существуют разные модели подобных устройств, отличающихся и конструкцией, и характеристиками рабочей среды. Так или иначе, газовый лазер имеет немало преимуществ, которые позволили ему занять прочное место в арсенале многих промышленных предприятий.

Это создает излучение во всех направлениях с разбросом длин волн и без взаимосвязи между отдельными фотонами. Это называется спонтанным испусканием. Рисунок Эйнштейна предсказал, что возбужденные атомы также могут преобразовывать накопленную энергию в свет посредством процесса, называемого вынужденным излучением. Этот процесс обычно начинается с возбужденного атома, который сначала создает фотон спонтанным излучением. Когда этот фотон достигает другого возбужденного атома, взаимодействие стимулирует этот атом испускать второй фотон.

Особенности действия газовой среды

Традиционно лазеры ассоциируются с твердотельными и жидкостными средами, способствующими формированию светового луча с необходимыми рабочими характеристиками. При этом газ имеет преимущества в виде однородности и небольшой плотности. Эти качества позволяют лазерному потоку не искажаться, не терять энергию и не рассеиваться. Также газовый лазер отличается увеличенной направленностью излучения, предел которой определяет только По сравнению с твердыми телами взаимодействие частиц газа происходит исключительно при соударениях в условиях теплового перемещения. В результате энергетический спектр наполнителя соответствует каждой частицы по отдельности.

Этот процесс имеет две важные характеристики. Во-первых, он мультипликативен — один фотон становится двумя. Если эти два фотона взаимодействуют с двумя другими возбужденными атомами, это даст в общей сложности четыре фотона и т.д. во-вторых, самое главное, эти два фотона имеют одинаковые свойства: длину волны, направление, фазу и поляризацию. Эта способность «усиливать» свет при наличии достаточного количества возбужденных атомов приводит к «оптическому усилению», который лежит в основе лазерной операции, и оправдывает его сокращение от упрощенного излучения излучения с усилением света.

Устройство газовых лазеров

Классическое устройство таких аппаратов формируется герметичной трубкой с газообразной функциональной средой, а также оптическим резонатором. Разрядная трубка обычно выполняется из корундовой керамики. Ее размещают между отражающей призмой и зеркалом на бериллиевом цилиндре. Разряд производится в двух секциях с общим катодом при постоянном токе. Оксиднотанталовые холодные катоды чаще всего разделяют на две части посредством диэлектрической прокладки, которая обеспечивает однородность распределения токов. Также устройство газового лазера предусматривает наличие анодов — их функцию выполняет нержавеющая сталь, представленная в виде вакуумных сильфонов. Эти элементы обеспечивают подвижное соединение трубок, призмы и держателей зеркала.

Было обнаружено большое количество твердых, жидких и газофазных материалов, которые проявляют выигрыш при соответствующих условиях накачки. Лазерная полость или резонатор находится в центре системы. Единственный транзит через набор возбужденных атомов или молекул достаточен для инициирования лазерного воздействия в некоторых устройствах с высоким коэффициентом усиления, таких как эксимерные лазеры; однако для большинства лазеров необходимо дополнительно усилить усиление с помощью нескольких проходов через лазерную среду.

Это реализуется вдоль оптической оси, определяемой набором резонаторных зеркал, которые создают обратную связь. Поверхность генерации помещается вдоль оптической оси резонатора. Эта уникальная ось с очень высоким оптическим усилением становится также направлением распространения лазерного луча. Несколько иным примером однозначно длинной оси усиления является волоконный лазер.

Принцип работы

Для наполнения энергией активного тела в газе применяются электрические разряды, которые вырабатываются электродами в полости трубки прибора. В процессе соударения электронов с газовыми частицами происходит их возбуждение. Таким образом создается основа для излучения фотонов. Вынужденное испускание световых волн в трубке повышается в процессе их прохождении по газовой плазме. Выставленные зеркала на торцах цилиндра создают основу для преимущественного направления светового потока. Полупрозрачное зеркало, которым снабжается газовый лазер, отбирает из направленного луча долю фотонов, а остальная их часть отражается внутрь трубки, поддерживая функцию излучения.

Рисунок Простейшая полость определяется двумя зеркалами, обращенными друг к другу — полным отражателем и частичным отражателем, коэффициент отражения которого может варьироваться от 30 до 100%. Свет отскакивает назад и вперед между этими зеркалами, набирая интенсивность с каждым прохождением через среду усиления. Фотоны, которые спонтанно излучаются в направлениях, отличных от оси, просто теряются и не вносят вклад в работу лазера. Когда лазерный свет усиливается, часть света выходит из полости или осциллятора через частичный отражатель; однако в равновесии эти «оптические потери» прекрасно компенсируются оптическим усилением, наблюдаемым в последовательном круговом спуске фотонов внутри резонатора.

Характеристики

Внутренний диаметр разрядной трубки обычно составляет 1,5 мм. Диаметр оксиднотанталового катода может достигать 48 мм при длине элемента 51 мм. При этом конструкция работает под действием постоянного тока с напряжением 1000 В. В гелий-неоновых лазерах мощность излучения небольшая и, как правило, исчисляется в десятых долях Вт.

Выходной сигнал лазера — это точно часть луча, передаваемого выходным соединителем. В идеальном лазере все фотоны в выходном пучке идентичны, что приводит к совершенной направленности и монохроматичности. Это определяет уникальную когерентность и яркость лазерного источника.

Идеальный лазер излучал бы все фотоны с точно такой же энергией и, следовательно, с той же длиной волны, и он был бы совершенно монохроматическим. Многие приложения зависят от монохроматичности. Например, в телекоммуникациях несколько лазеров со слегка смещенными волнами могут передавать в параллельных потоках импульсов по одному и тому же оптическому волокну без перекрестных помех. Реальные лазеры не являются совершенно монохроматическими, поскольку несколько механизмов уширения расширяют частоту излучаемых фотонов.

Модели на углекислом газе предполагают использование трубок диаметром от 2 до 10 см. Примечательно, что газовый лазер, работающий в непрерывном режиме, обладает очень высокой мощностью. С точки зрения эксплуатационной эффективности, этот фактор иногда идет в плюс, однако для поддержания стабильной функции таких приборов требуются долговечные и надежные зеркала с повышенными оптическими свойствами. Как правило, технологи используют металлические и сапфировые элементы с обработкой золотом.

Когерентность. Помимо того, что они имеют одну и ту же длину волны, фотоны, составляющие лазерный луч, находятся в фазе или «когерентны», что приводит к электрическому полю, распространяющемуся с однородным волновым фронтом. Идеальное представление представляет собой плоскую волну, распространяющуюся с плоским волновым фронтом в данном направлении и где каждая плоскость, перпендикулярная этому направлению, испытывает ту же амплитуду и фазу электрического и магнитного полей в данный момент времени.

Когда взаимодействуют две волны с такими характеристиками, они создают интерференционные картины, как в эксперименте Юнга. Реальные лазерные лучи несколько отклоняются от этого идеального поведения, но они по-прежнему являются источниками, которые наилучшим образом приближаются к идеальной когерентной плоской волне, и они позволяют множеству приложений, которые полагаются на оптические помехи. Например, поверхность прецизионных линз и зеркал измеряется с использованием лазерных интерферометров, а также небольшие изменения в интерференционных картинах интерферометров длиной в миллиметр, используемых для преследования и детектирования гравитационных волн.

Разновидности лазеров

Основная классификация подразумевает разделение таких лазеров по типу газовой смеси. Уже упоминались особенности моделей на углекислом активном теле, но также распространены ионные, гелий-неоновые и химические среды. Для изготовления конструкции прибора ионные газовые лазеры требуют применения материалов с высокой теплопроводностью. В частности, используются металлокерамические элементы и детали на основе бериллиевой керамики. Гелий-неоновые среды могут работать на разных длинах волн по и в спектре видимого света. Зеркала резонатора таких аппаратов отличаются наличием многослойных диэлектрических покрытий.

Яркость. Наиболее поразительно заметная разница между лазерами и обычными источниками света заключается в том, что весь излучаемый свет распространяется в том же направлении, что и интенсивный луч. Сияние определяется как количество света, выходящего из источника на единицу площади поверхности и единицы телесного угла. Звезда, подобная солнцу, излучает большое количество излучения от единицы площади поверхности, но это излучается во многих разных направлениях. Напротив, лазерный луч сильно направлен, в результате его яркость намного интенсивнее, чем солнце, как на поверхности Земли.

Химические лазеры представляют отдельную категорию газовых трубок. Они также предполагают использование в качестве рабочей среды газовых смесей, но процесс образования светового излучения обеспечивается химической реакцией. То есть газ используется для химического возбуждения. Устройства такого типа выгодны тем, что в них возможен прямой переход химической энергии в электромагнитное излучение.

По этой причине только 5 мВт мощности от лазерной указки более «ослепляют» для глаза, чем прямой солнечный свет. Из-за его высокой яркости лазерный луч может проецироваться на большие расстояния или фокусироваться на очень маленьком месте. Хорошо спроектированные лазеры создают луч света, который будет расширяться только на минимальную величину, предусмотренную законами дифракции. Например, дифракция налагает, что минимальное пятно, которое может быть получено лазерным лучом, равно примерно его длине волны.

Лазеры можно разделить на три основные категории: непрерывная волна, импульсная и сверхбыстрая. Как следует из их названия, лазери непрерывной волны создают непрерывный непрерывный луч света, в идеале с очень стабильной выходной мощностью. Точная длина волны или линия, на которой это происходит, определяются характеристиками лазерной среды. Каждая длина волны лазера связана с шириной линии, которая зависит от нескольких факторов: ширины полосы усиления среды генерации и конструкции оптического резонатора, который может включать элементы, предназначенные для намеренного сужения ширины линии, например, фильтров или эталонов.

Применение газовых лазеров

Практически все лазеры такого типа отличаются высокой степенью надежности, долговечностью и доступной ценой. Эти факторы обусловили их широкое распространение в разных отраслях. К примеру, гелий-неоновые аппараты нашли применение в нивелировочных и юстировочных операциях, которые выполняются в шахтных работах, в кораблестроении, а также при строительстве различных сооружений. Кроме этого, лазеров подходят для использования в организации оптической связи, в разработке голографических материалов и квантовых гироскопов. Не стал исключением с точки зрения практической пользы и аргоновый газовый лазер, применение которого показывает эффективность в сфере обработки материалов. В частности, подобные устройства служат в качестве резчика твердых пород и металлов.

Если лазер может одновременно производить разные линии, первым шагом в определении рабочей длины волны является использование зеркал резонатора, которые имеют высокую отражательную способность только на желаемой длине волны. Низкая отражательная способность зеркал на всех других линиях будет препятствовать достижению порога лазерного воздействия. Однако даже одна лазерная линия фактически охватывает диапазон длин волн. Например, лазерные диоды создают свет в диапазоне длин волн в несколько нанометров, соответствующих их «полосе усиления».

Активной средой в газовых лазерах является газ или смесь газов в стеклянной или кварцевой трубке. Зеркала резонатора устанавливают вблизи концов внутри трубки или за ее пределами (рис. 105).

Наиболее распространенными являются неон-гелиевые лазеры. С помощью внешних электродов и высокочастотного генератора в трубке, содержащей смесь гелия Па) и неона Па), возбуждается газовый разряд. В плазме газового разряда атомы гелия и неона возбуждаются при неупругих столкновениях с электронами. Вероятности возбуждения атома на различные уровни неодинаковы. В некоторые состояния атом переходит с большей вероятностью. Если большим оказывается и время их жизни в этих состояниях, то такие состояния можно использовать в качестве верхних рабочих уровней для создания инверсной заселенности.

Конкретные длины волн выходного луча в этой полосе усиления определяются продольными модами резонатора. На рисунке 4 показано поведение двухзеркальной полости, самой базовой конструкции. Чтобы поддерживать усиление по мере того, как свет перемещается назад и вперед между зеркалами, волны должны оставаться в фазе и «воспроизводить» их волновой рисунок, а это означает, что расстояние между проходами полости должно быть точно кратным длине волны.

Обычно это очень большое целое число, поскольку длина волны света намного меньше, чем типичная длина полости. Длины волн, которые удовлетворяют этому резонансному уравнению, называются режимами продольной полости. Фактические выходные длины волны лазера будут соответствовать режимам резонатора, которые попадают в полосу усиления, как показано на рисунке 4. Этот режим называется многополосной работой.

Упрощенная схема энергетических уровней неона и гелия показана на рисунке 106.

Основным, или рабочим, газом является неон. В возбужденных атомах неона электроны занимают уровни Время жизни на уровнях больше, чем на

Рис. 105. Схема устройства газового лазера: — газоразрядная трубка, 2- электроды, 3 — непрозрачное зеркало, 4 — частично прозрачное зеркало.

Используя пример мощного лазерного диода, расстояние между смежными продольными модами равно. Рисунок. Конструкция резонатора также управляет так называемыми поперечными модами, отвечающими за распределение интенсивности на плоскости, перпендикулярной направлению пучка. Идеальный лазерный луч имеет радиально-симметричное поперечное сечение: интенсивность наибольшая в центре и хвост на краях, следуя гауссовскому профилю. Обычно круглую апертуру, расположенную внутри полости, используют, чтобы заставить лазер работать в основном режиме.

расположенном ниже уровне . Это дает возможность создать инверсную заселенность уровней относительно уровня Но генерация, наблюдающаяся в чистом неоне, очень слаба. Для увеличения заселенности уровней неона в разрядную трубку добавляется гелий. Среди возбужденных уровней атома гелия уровни близки по энергиям к уровням неона. Это обстоятельство делает возможной резонансную передачу энергии возбужденными атомами гелия атомам неона при неупругих столкновениях. Возбуждение атомов гелия осуществляется электронными ударами.

В многопроцессорной работе много режимов присутствуют одновременно, часто приводя к профилю, который представляется гауссовым, но на самом деле имеет ухудшенные свойства. Различные поперечные моды также имеют несколько разные частоты; однако эта разница намного меньше разницы между смежными продольными модами. Такие применения, как голография, которые требуют отличной согласованности, выигрывают от использования лазера с одной продольной полосой. Для некоторых типов лазеров с узкой полосой пропускания одномодовый выход достигается с очень короткой резонансной полостью; это делает интервал между режимами больше, чем ширина полосы усиления, и только один режим лазера.

Уровни гелия являются метастабильными. Поэтому концентрация атомов гелия, находящихся в возбужденных состояниях оказывается в газоразрядной плазме довольно высокой. Вероятность встречи возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона повышается при увеличении концентрации гелия, которая оказывается оптимальной, если атомов гелия в 5-10 раз больше, чем атомов неона.

В общем, однако, фильтрующий элемент, который предпочтительно пропускает только один режим, вставляется в полость. Наиболее распространенный тип фильтра называется эталон. Используя ряд сложных усовершенствований дизайна, можно ограничить ширину линии лазера менее 1 кГц, что полезно для научных интерферометрических приложений.

Некоторые твердотельные лазеры имеют чрезвычайно широкую полосу пропускания, которая простирается до сотен нанометров. Вместо того, чтобы быть недостатком, эта широкая полоса пропускания позволяет создавать перестраиваемые и сверхбыстрые лазеры. Фильтр двулучепреломления выполняет две функции: он сужает полосу пропускания и, вращая фильтр, обеспечивает плавную настройку. Этот фильтр того же типа также используется в качестве инструмента, установленного на заводе, для блокировки длины волны с точным значением, когда широкополосные лазеры должны быть предварительно настроены на определенной зависящей от приложения длине волны.

Резонансная передача энергии возбужденными атомами гелия атомам неона приводит к возникновению инверсной заселенности уровней атомов неона. Переходы с этих уровней на уровень могут обеспечить генерацию когерентного индуцированного излучения с длинами волн 632,8 и 1150 нм.

Если есть необходимость усилить генерацию только видимого излучения с длиной волны 632,8 нм, нужно подавить генерацию инфракрасного излучения с длиной волны 1150 нм. Это достигается применением зеркал, отражающих, а следовательно, и усиливающих только излучение с длиной волны 632,8 нм. Тогда первые же кванты спонтанного излучения, многократно отражаясь от зеркал резонатора, вызывают лавинообразное увеличение интенсивности света с длиной волны 632,8 нм. Неон-гелиевые лазеры обладают небольшими значениями КПД, порядка

Среди газовых лазеров выделяются лазеры на углекислом газе Их КПД 10-40%, а мощность достигает десятков киловатт.

Газовые лазеры

Перевод Вячеслава Пряникова

Разнообразие газовых лазеров основано на явлении усиления света. Активная среда таких лазеров представляет собой либо отдельные атомы или молекулы, либо смесь различных веществ в зависимости от функциональности системы. Инверсия населённости, как предпосылка для усиления через вынужденное излучение в основном достигается путём накачки газа электрическим разрядом, но существуют газовые лазеры, в которых используется накачка химическими реакциями, устройствами оптической накачки и Рамановскими лазерами. В течение работы, газ часто находится в состоянии плазмы, содержащей значительные концентрации электрических заряженных частиц.

Газовые лазеры

Особенности газообразной активной среды. Основные методы возбуждения. Электрический разряд, газодинамика, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка. Резонансная передача энергии возбуждения при столкновениях. Гелий-неоновый лазер. Схема уровней. Передача энергии возбуждения. Конкуренция линий излучения на волнах 3,39 и 0,63 мкм. Параметры разряда, параметры лазера.

Рассмотрение методов создания инверсии мы будем проводить на примерах лазеров, представляющих наибольший интерес.

Начнем с газовых лазеров. Газообразность их активной среды приводит к ряду замечательных следствий. Прежде всего, только газовые среды могут быть прозрачными в широком спектральном интервале от вакуумной УФ области спектра до волн далекого ИК, по существу СВЧ, диапазона. В результате газовые лазеры работают в громадном диапазоне длин волн, соответствующем изменению частоты более чем на три порядка.

Далее. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. Это позволяет легче достигать дифракционного предела расходимости лазерного излучения.

При малой плотности для газов характерно доплеровское уширение спектральных линий, величина которого мала по сравнению с шириной линии люминесценции в конденсированных средах. Это позволяет легче достигать высокой монохроматичности излучения газовых лазеров. В результате в излучении газовых лазеров наиболее отчетливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая монохроматичность и направленность.

Составляющие газ частицы взаимодействуют друг с другом в процессе газокинетических столкновений. Это взаимодействие относительно слабо; поэтому оно практически не влияет на расположение урдвней энергии частиц и выражается только в уширении соответствующих спектральных линий. При низких давлениях столкновительное уширение мало и не превышает доплеровскую

ширину. Вместе с тем увеличение давления приводит к росту столкновительной ширины (см. лекцию вторую), и мы получаем возможность управлять шириной линии усиления активной среды лазера, существующую только в случае газовых лазеров.

Как мы знаем, для выполнения условий самовозбуждения усиление в активной среде за один проход резонатора лазера должно превышать потери. В газах отсутствие нерезонансных потерь энергии непосредственно в активной среде облегчает выполнение этого условия. Технически трудно изготовить зеркала с потерями, заметно меньшими 1%. Следовательно, усиление за один проход должно превышать 1%. Относительная легкость выполнения такого требования в газах, например путем увеличения длины активной среды, объясняет наличие большого количества газовых лазеров в широком диапазоне длин волн. Вместе с тем малая плотность газов препятствует получению такой высокой плотности возбужденных частиц, которая характерна для твердых тел. Поэтому удельный энергосъем у газовых лазеров существенно ниже, чем у лазеров на конденсированных средах.

Специфика газов проявляется и в многообразии различных физических процессов, применяемых для создания инверсии населенностей. К их числу относятся возбуждение при столкновениях в электрическом разряде, возбуждение в газодинамических процессах, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка (главным образом лазерным излучением), электронно-лучевое возбуждение.

В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населенностей создается в электрическом разряде. Такие газовые лазеры называются газоразрядными. Газоразрядный метод создания активной среды является наиболее общим методом получения инверсии в газовых лазерах, так как электроны разряда легко возбуждают частицы газа, переводя их в процессах неупругих столкновений на более высокие уровни энергии. Обычно наблюдаемое свечение газового разряда (газосветные лампы) объясняется спонтанными переходами с этих уровней энергии вниз. Если скорости процессов распада возбужденных состояний благоприятны накоплению частиц на каком-то верхнем уровне энергии и опустошению какого-то нижнего уровня энергии, то между этими уровнями создается инверсия населенностей. Легко возбуждая газ в широком интервале энергий, электроны газового разряда создают инверсию населенностей уровней энергии нейтральных атомов, молекул, ионов.

Газоразрядный метод применим для возбуждения лазеров как непрерывного, так и импульсного режимов работы. Импульсное возбуждение используется большей частью в случае неблагоприятной для непрерывного режима динамики установления населенностей на верхнем и нижнем уровнях энергии, а также для того, чтобы получать высокую мощность излучения, недостижимую в непрерывном режиме.

Электрический разряд в газе может быть самостоятельным и несамостоятельным. В последнем случае проводимость газа обеспечивается внешним ионизующим агентом, а процесс возбуждения осуществляется независимо от условий пробоя газа при оптимальном значении напряженности электрического поля в разрядном промежутке. В газовой среде, ионизованной независимо внешним воздействием, это поле и вызванный им ток определяют энергию возбуждения (энерговклад), вводимую в разряд.

Характерной особенностью газов является возможность создания таких потоков газовых масс, в которых резко меняются термодинамические параметры газа. Так, если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через некоторое сопло, то температура газа резко падает. Этой новой, существенно более низкой температуре соответствует новое равновесное распределение населенностей по уровням энергии частиц газа. При внезапном снижении температуры газа на какое-то время нарушается равновесность этого распределения. Тогда, если релаксация К новому термодинамическому равновесию для нижнего уровня вдет быстрее, чем для верхнего, газодинамическое истечение сопровождается инверсией населенностей, существующей в некоторой протяженной области вниз по течению газа. Размер этой области определяется скоростью газодинамического потока и временем релаксации инверсной населенности в нем.

Таков газодинамический метод получения инверсии, в котором тепловая энергия нагретого газа непосредственно преобразуется в энергию монохроматического электромагнитного излучения. Важной характерной особенностью этого метода является возможность организации газодинамических потоков больших масс активного вещества и тем самым получения высокой выходной мощности (см. формулу (6.57)).

При химическом возбуждении инверсия паселенностей создается в результате химических реакций, при которых образуются возбужденные атомы, молекулы, радикалы. Газовая среда удобна для химического возбуждения тем, что реагенты легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. В газофазных химических реакциях неравновесное распределение химической энергии среди продуктов реакции проявляется наиболее сильно и сохраняется наиболее долго. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Привлечение цепных реакций приводит к тому, что падает относительная доля энергоза-. трат на инициирование реакций, обеспечивающих получение инверсии. В результате потребление электроэнергии во время работы химического лазера может быть очень малым, что также является большим достоинством химического метода создания инверсии. Добавим к этому, что удаление продуктов реакции, т. е. работа в газовом потоке, может обеспечить непрерывный характер

работы химических лазеров. Возможно также сочетание химического и газодинамического методов возбуждения.

К химическим лазерам примыкают лазеры, инверсия населенностей в которых достигается с помощью реакций фотодиссоциации. Как правило, это — быстропротекающие реакции, инициируемые интенсивной импульсной световой вспышкой или взрывом. В результате диссоциации возникают возбужденные атомы или радикалы. Взрывной характер реакции обусловливает импульсный режим работы таких лазеров. В силу того, что при соответствующем инициировании фотодиссоциация может охватывать одновременно большой объем исходного газа, импульсная мощность и энергия излучения при фотодиссоциационном методе создания инверсии могут достигать значительных величин.

Своеобразный характер в случае газовых активных сред приобретает такой общий метод создания инверсии, как оптическая накачка. В силу малой плотности газов их резонансные линии поглощения узки. Поэтому оптическая накачка может быть эффективна, если источник накачки достаточно монохроматичен. Обычно используются лазерные источники. Специфика газов в случае оптической накачки проявляется еще и в том, что в силу их малой плотности глубина проникновения излучения накачки в газ может быть большой и тепловыделение при поглощении излучения — малым. Как правило, резонансная оптическая накачка газовых сред практически не приводит к нарушению их оптической однородности.

При электронно-лучевом возбуждении газовых сред происходит ионизация газа электронами высокой энергии (0,3-3 МэВ). При этом энергия быстрых электронов первичного пучка, общее число которых относительно невелико, каскадным образом преобразуется в энергию большого числа медленных электронов. Возбуждение верхних лазерных уровней осуществляется именно этими электронами низкой энергии (от единиц до десятков электронвольт). Так как длина пробега электронов большой энергии в газах достаточно велика, то электронно-лучевой способ возбуждения очень удобен для создания активной среды больших объемов при больших давлениях газов, причем газов любого состава.

Электронно-лучевое возбуждение является гибким и вместе с тем мощным методом, применимым практически всегда. Большое достоинство этого метода состоит также в возможности его сочетания с другими методами создания активной среды газовых лазеров

Прежде чем перейти к конкретному рассмотрению того, как все эти методы создания инверсии реализуются в тех или иных представляющих наибольший интерес газовых лазерных системах, целесообразно отметить два обстоятельства общего характера.

Во-первых, достижение инверсии в газовой среде сильно облегчается относительной медленностью релаксационных процессов

в газах. Как правило, соответствующие константы скорости хорошо известны или могут быть сравнительно легко изучены экспериментально. В коротковолновой области и для хорошо разрешенных переходов процессом, препятствующим получению и удержанию инверсии, является спонтанный распад верхнего уровня (см. лекцию вторую). Радиационные времена жизни атомов, молекул, ионов также либо хорошо известны, либо могут быть относительно хорошо известны. Значения этих времен, известные для свободных частиц, справедливы для газов.

Каждый электрик должен знать:  Заземление устройство, принцип действия и назначение

Во-вторых, для газов характерна передача энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта при неупругих столкновениях между ними. Такая передача тем более эффективна, чем более точно совпадают уровни энергии сталкивающихся частиц. Дело в том, что всегда существующее различие в значениях энергии тех состояний, обмен населенностями которых происходит при столкновении, приводит к тому, что передача возбуждения сопровождается выделением (или поглощением) кинетической энергии

Здесь N — плотность частиц доноров энергии возбуясдения, n — плотность акцепторов, звездочка обозначает воебуждение соответствующей частицы. Символ К, стоящий над стрелочками в уравнении (13.1), обозначает константу скорости этой реакции. Кинетическая энергия может быть получена из резервуара тепловой энергии поступательного движения частиц газа (или передана в этот резервуар). Для того чтобы такой процесс был эффективным, передаваемая в резервуар (получаемая из резервуара) в одном столкновении энергия не должна превышать среднюю энергию теплового движения одной частицы . Другими словами, дефицит энергии рассматриваемых состояний должен быть мал:

В этом случае происходит так называемая резонансная (квазирезонансная) передача энергии возбуждения.

В общих чертах процесс передачи энергии (13.1) описывается скоростным уравнением вида

где т — некоторое эффективное время релаксации, а константа скорости передачи энергии возбуждения, как обычно,

Здесь v — скорость сталкивающихся частиц, а сечение процесса передачи о приближается к газокинетическому сечению , при выполнении условия (13.2). В правой части уравнения

(13.3) учтен обратный процесс . Предполагая для выполнение закона сохранения числа частиц:

из (13.3) легко получить, что в стационарных условиях

достигается уровень возбуждения акцепторов, максимально возможный при заданном уровне возбуждения доноров.

Итак, процесс столкновительной передачи энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта, характерный для газовых сред, эффективен при выполнении условия (13.2). Этот процесс эффективен в создании активной среды лазера на основе частиц типа n путем возбуждения частиц типа N при выполнении условия (13.7).

Рис. 13.1. Передача энергии возбуждения по схеме прямая стрелка вцерх — возбуждение частиц N, прямая стрелка вниз — излучение частицами волнистая стрелка вниз — релаксация нижнего лазерного уровня частиц n. Показано отсутствие собственной релаксации частиц

Передача энергии возбуждения существенно расширяет возможности создания газовых лазеров, позволяя разделить в активной среде функции накопления энергии возбуждения и последующего излучения на желаемой длине волны. Процесс происходит в два этапа. Сначала тем или иным способом возбуждаются частицы вспомогательного газа — носителя избыточной энергии и выступающего донором энергии возбуждения. Затем в процессах иеупругих столкновений энергия передается от газа-носителя частицам рабочего газа — акцептора энергии возбуждения, населяя таким образом их верхний лазерный уровень. Верхний; уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни, чтобы хорошо накапливать энергию. Схематически рассматриваемый процесс показан на рис. 13.1.

Рассматриваемый метод нашел широкое применение, так как практически при всех методах возбуждения (электроразрядном,

газодинамическом, химическом и т. д.) часто оказывается гораздо более выгодным непосредственно вкладывать энергию возбуждения не в те частицы, излучение которых желательно, а в те, которые легко поглощают эту энергию, сами ее не излучают и охотно отдают свое возбуждение нужным частицам.

Перейдем теперь к непосредственному рассмотрению ряда газовых лазеров. Начнем с атомарных газовых систем, ярким представителем которых является гелий-неоновый лазер. Хорошо известно, что этот лазер был, в сущности, первым. Исходные расчеты и предложения относились к газовым лазерам, главным образом, вследствие уже обсуждавшейся нами большей степени понимания схем уровней энергии и условий возбуждения в газовой среде. Все же первым был создан рубиновый лазер в силу того, что этот монокристалл был тщательно изучен в радиоспектроскопии ЭПР и широко использовался в квантовой электронике СВЧ для создания парамагнитных квантовых усилителей (парамагнитных мазеров). Вскоре, в конце того же 1960 г., А. Джаван,

Рис. 13.2. Схема возбуждения неона и гелия в электрическом разряде (обозначения стрелок те же, что и на рис. 13.1). Показана возможность каскадного заселения уровней энергии неона.

У. Беннет и Д. Харриот создали гелий-неоновый лазер на волне 1,15 мкм. Наибольший интерес к газовым лазерам сформировался после открытия генерации гелий-неонового лазера на красной линии 632,8 нм практически в тех же условиях, что и в первом запуске на волне 1,15 мкм. Это прежде всего стимулировало интерес к лазерным применениям. Лазерный луч стал инструментом.

Технические усовершенствования привели к тому, что гелий-неоновый лазер перестал быть чудом лабораторной техники и экспериментального искусства и превратился в надежное устройство. Этот лазер хорошо известен, он оправдывает свою известность и заслуживает внимания.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. Упрощенная и вместе с тем в каком-то смысле обобщенная схема уровней неона приведена в правой части рис. 13.2. В электрическом разряде при столкновениях с электронами

возбуждаются уровни . Уровни метастабильны, а уровень по сравнению с ними является более короткоживущим. Поэтому, казалось бы, должна легко возникать инверсия населенностей уровней по отношению к . Этому, однако, мешает метастабильный уровень . В спектрах многих атомов, в том числе атомов инертных газов, имеется такой долгоживущнй метастабильный уровень. Заселяясь в столкновениях с электроном, этот уровень не дает опустошаться уровню , что препятствует получению инверсии.

В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа — донора энергии возбуждения. Этим газом служит гелий. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рис. 13.2) довольно точно совпадают с энергиями уровней неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию (13.7), можно добиться заселения одного или обоих уровней неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей этих уровней по отношению к уровню .

Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Подчеркнем, что нашедший широкое применение в квантовой электронике газовых лазеров метод передачи энергии от газа, непосредственно не работающего, но легко возбуждаемого, к газу, не накапливающему энергию возбуждения, но легко излучающему, впервые был реализован в гелий-неоновом лазере.

Рассмотрим теперь более подробно схему уровней нейтральных атомов гелия и неона (рис. 13.3).

Нижним из возбужденных состояний гелия соответствуют энергии 19,82 и 20,61 эВ. Оптические переходы из них в основное состояние запрещены в приближении -связи, действительной для гелия. Состояния и — это метастабильные состояния со временем жизни примерно . Поэтому они хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом.

Для неона действительна промеяуточная -связь. На рис. 13.3 состояния, относящиеся к одной конфигурации, показаны жирной линией с выделением рабочего подуровня. Для идентификации уровней применены обозначения Пашена, наиболее широко распространенные в существующей литературе. Уровни близки к метастабильный уровням гелия 250 и 2%, дефицит энергии примерно равен (Заметим, что при 300 К

.) Состояние имеет большое время жизни из-за резонансного пленения излучения в силу радиационной связи с основным состоянием.

В неоне s-состояния имеют большие времена жизни, чем р-состояния. Это, вообще говоря, позволяет получать инверсию на переходах Следует, однако, иметь в виду, что состояние неона хорошо населяется в разряде и при не слишком больших токах разряда возможно ступенчатое (каскадное) заселение нижних лазерных уровней при переходах из состояния

Рис. 13.3. Схема нижних возбужденных уровней энергии гелия и пеона: прямые стрелки вверх — возбуждение гелия, волнистые стрелки — передача энергии возбуждения от гелия к неону, наклонные прямые стрелки — излучение атомами неона. Каналы релаксации нижних лазерных уровней неона не показаны.

Введение в разряд относительно большого количества гелия, обеспечивающего внешний по отношению к неону интенсивный канал заселения состояний снимает ограничения на возможность получения инверсии в непрерывном режиме. Исторически первой была получена генерация на переходе . Основная мощность соответствует переходу . Затем была реализована инверсия переходов и .

Все три вида генерации происходят в примерно одинаковых условиях разряда и имеют одинаковые зависимости мощности генерации от параметров разряда. При этом особенно важна конкуренция генераций на волнах 3,39 и 0,63 мкм, которым соответствуют переходы с общим верхним уровнем. Поэтому генерация на одной из этих волн ослабляет генерацию на другой из них. Дело осложнено резким различием в коэффициентах усиления. Переходу соответствует усиление в и поэтому на нем легко достигается генерация в простых, например металлических, зеркалах. Переход гораздо

более капризен. Ему соответствует небольшое усиление в , что при прочих равных условиях никак не может конкурировать с гигантским усилением в . Поэтому для получения генерации в видимой области гелий-неоновый лазер снабжается многослойными диэлектрическими интерференционными зеркалами, обладающими высоким коэффициентом отражения только на требуемой длине волны. Переходу соответствует усиление генерация достигается. с помощью диэлектрических зеркал.

Гелий-неоновый лазер является газоразрядным лазером. Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде. Вообще, в лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизованная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет . Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительный столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа р на внутренний диаметр трубки D. При малых электронная температура велика, при больших — низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизованной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока.

Для гелий-неонового лазера оптимальные значения равно как и парциальный состав газовой смеси, несколько отличны для различных спектральных областей генерации.

В области 0,63 мкм самой интенсивной из линий серии — линии соответствует оптимальное . Отношение парциальных давлений гелия и неона, при котором для этой области генерации наилучшим образом выполняются условия (13.7), составляет . Энергия возбуждения переходит, главным образом, от состояния Не к состоянию как это показано на рис. 13.3.

В области 1,15 мкм в серии самой интенсивной является линия . Энергию возбуждения поставляет состояние гелия (рис. 13.3). Оптимальное отношение парциальных давлений гелия и неона составляет значение .

Для области 3,39 мкм (серия , самая сильная линия ) верхний лазерный уровень, как уже говорилось, совпадает с верхним уровнем красной линии генерации 0,63 мкм. Поэтому оптимальные условия разряда оказываются одинаковыми.

В весьма распространенных случаях, когда одна и та же отпаянная газоразрядная трубка используется в гелий-неоновом лазере со сменными зеркалами для работы в различных диапазонах длин волн, обычно выбираются некоторые компромиссные значения в довольно широком диапазоне параметров: диаметр газоразрядной трубки 5—10 мм, отношение парциальных давлений 5—15, общее давление 1 — 2 Торр, ток 25—50 мА.

Наличие оптимума по диаметру обусловлено конкуренцией двух факторов. Во-первых, при увеличении поперечного сечения активной среды лазера при прочих равных условиях происходит увеличения вероятности распада на стенке капилляра метастара капилляра газоразрядной трубки увеличивает коэффициент усиления пропорционально . Последнее происходит как из-за — увеличения вероятности распада на стенке капилляра метаста-бильного состояния неона так и из-за увеличения количества возбужденного гелия (и тем самым неона), а значит, и коэффициента усиления при сохранении постоянным произведения т. е. при выполнении условия подобия тлеющих разрядов при изменении диаметра газоразрядной трубки.

Наличие оптимальной плотности тока разряда обусловлено возникновением при больших токах каскадных процессов типа

приводящих к уменьшению инверсии (см. рис. 13.2 и 13.3). Процессы такого рода могут становиться существенными также при увеличении давления неона, что, в свою очередь, обусловливает наличие оптимума по давлению.

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни милливатт в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров при отсутствии ошибок в изготовлении ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений гелия и неона.

Остановимся теперь на вопросе конструирования резонатбров гелий-неонового лазера. Большая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро портятся в разряде. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка, снабженная окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, помещается внутрь резонатора. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ — упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал и облегчается их смена,

появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т. п.

В квантовой электронике важным является вопрос о ширине линии рабочего перехода (см. лекцию вторую). Для газовых лазеров существенны естественное, столкновительное и доплеровское уширения. В случае гелий-неонового лазера формула (2.8) (где под надо понимать — естественное время жизни р-состояния неона, а под — время т., относящееся к s-состояпию) дает значение естественной ширины линии МГц. Столкновительное уширение (формулы (2.31) и определяется давлением газа. Для атомов неона в предположении, что сечение соответствующего столкновительного процесса равно газокинетическому, при давлении порядка МГц. Доплеровская ширина линии (формулы (2.28) и определяется, в частности, длиной волны излучения. Для линии 0,63 мкм при 400 К эти формулы дают что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Из сказанного видно, что в случае гелий-неонового лазера основным механизмом, вызывающим уширение линии излучения, является эффект Доплера. Уширение это относительно невелико и при такой линии можно получить генерацию на одной продольной моде, т. е. одночастотную генерацию при хотя и малой, но физически вполне реализуемой длине резонатора 15 см. (формула (10.21)).

Гелий-неоновый лазер является наиболее представительным примером газовых лазеров. В его излучении отчетливо проявляются все характерные свойства этих лазеров, в частности лэмбовский провал, обсуждавшийся в лекции одиннадцатой. Ширина этого провала близка к ширине одной из тех однородно уширенных линий, совокупность которых образует неоднородно уширенную доплеровскую линию. В случае гелий-неонового лазера такой однородной шириной является естественная ширина . Так как , то положение лэмбовского провала (см. рис. 11.6) очень точно показывает положение центра линии рабочего перехода. Кривая, представленная на рис. 11.6, для лэмбовского провала экспериментально получается путем плавного изменения длины резонатора одномодового лазера. Следовательно, положение минимума провала может быть использовано при соответствующей обратной связи, управляющей длиной резонатора, для стабилизации частоты генерации лазера. Так получена относительная стабильность и воспроизводимость частоты, равная . Отметим, однако, что более высокая стабильность достигается, когда провал выжигается не в линии усиления активной среды, а в линии поглощения резонансного газа. Для линии генерации таким газом является метан.

Подчеркнув в заключение, что существует целый ряд газовых лазеров на нейтральных атомах, в том числе на атомах благородных газов, отметим, что промышленность выпускает гелий-неоновые лазеры в широком ассортименте.

Что такое лазер?

статьи | Jun 11, 2020 | Наука и Образование | 1078

Лазер — полезнейшее изобретение, нашедшее применение во многих сферах жизни. Чтобы понять, как оно покорило мир, проследим историю появления лазеров, рассмотрим их виды, а также попытаемся спрогнозировать, по какому из направлений эта технология будет развиваться в дальнейшем.

Лазеры вызывают восторг и неизменно ассоциируются с фантастическими фильмами и наукой будущего. Эти устройства кажутся сверхъестественными, что умело использовали создатели таких популярных блокбастеров, как «Люди X» или «Звездные войны», где джедаи эффектно сражаются на лазерных мечах.

Тем не менее лазеры — это уже давно не фантастика, а рабочий инструмент во многих областях современной науки. Эти устройства, будучи очень функциональными, окружают современного человека в повседневной жизни.

Как расшифровывается?

Английское выражение Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation переводится как «Усиление света посредством вынужденного излучения». По первым буквам этого выражения образована аббревиатура LASER.

Попросту говоря, лазер производит поток света, обладающий чрезвычайной концентрацией.

Кто изобрел лазер?

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.

Эйнштейн

Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа действия лазера. Революционность заключалась в том, что автор предсказал абсолютно новое явление в физике — вынужденное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность вынужденного (или стимулированного) излучения. Это значит, что возможно «принудить» электроны излучать свет необходимой длины волны в одно и то же время.

Майман

Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.

ПРинцип работы лазера

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

Как создается лазерный луч?

  • 1-я стадия — выключенный лазер.

Электроны всех атомов (на картинке — черные точки на внутренних окружностях) занимают основной энергетический уровень.

  • 2-я стадия — момент после включения.

Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты (на картинке — внешние окружности).

  • 3-я стадия — возникновение луча.

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется общий результирующий пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

Резкость фокусировки

Длина световой волны в лазерном пучке только одна, следовательно, и цвет также один. Этот свет четко фокусируется линзой почти что полностью в одной точке.

(См. рисунок: слева — свет лазера, справа — естественный свет). Если сравнить свет лазера с естественным светом, то будет видно, что последний не способен иметь настолько резкий фокус. Благодаря концентрации в узком луче огромной энергии лазер способен передать этот луч на гигантские расстояния, избегая рассеяния и ослабления, присущих многоцветному свету — естественному. Эти качества лазера превращают его в незаменимый инструмент для человека.

Физическое обоснование

Разберем вышеописанный механизм работы лазера подробнее. Выясним, какие именно физические законы делают возможным его функционирование.

Активная среда

Для лазерного излучения необходима так называемая « активная среда » . Только в ней оно может происходить. Как же создается активная среда? Прежде всего, нужно специальное вещество, которое обычно состоит из кристаллов рубина или алюмоиттриевого граната. Собственно, это вещество и есть активная среда. Сформированный из него цилиндр или стержень вставляют в резонатор. Резонатор состоит из двух параллельных друг другу зеркал. Переднее зеркало наполовину прозрачно, а заднее не пропускает свет. Рядом с со стержнем (цилиндром) монтируется импульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом. Оно чаще всего изготовлено из кварца, на который нанесен слой металла. При помощи зеркала свет собирается на цилиндре.

Энергетические уровни атомов

Важный момент: состав активной среды таков, что у каждого ее атома есть как минимум три энергетических уровня. В спокойном состоянии атомы активной среды располагаются на низшем энергетическом уровне Е0. Как только включается лампа, атомы поглощают энергию ее света, поднимаются на уровень Е1 и довольно долго пребывают в таким возбужденном состоянии. Именно это и обеспечивает лазерный импульс.

Инверсная заселенность

Инверсная заселенность — фундаментальное физическое понятие. Это такое состояние среды, когда число частиц на каком-то верхнем энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем на нижнем. Собственно, активной и называется та среда, в которой уровни являются инверсно заселенными.

Фотоны и световой пучок

Электроны атома не располагаются хаотично. Они занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получающий квант энергии, с огромной вероятностью переходит в состояние возбуждения, характеризующееся сменой орбиты электронами — с самой низкой (метастабильной или основной) на обладающую более высоким уровнем энергии. На такой орбите длительное нахождение электронов невозможно, поэтому происходит их самопроизвольное возвращение к основному уровню. В момент возвращения каждый электрон испускает волну света, называемую фотоном. Одним атомом запускается цепная реакция, и электроны многих других атомов также перемещаются на орбиты с более низкой энергией. Одинаковые световые волны движутся огромным потоком. Изменения этих волн согласованы во времени и в результате формируют общий мощный световой пучок. Этот пучок света и зовется лазерным лучом. Мощность луча у каких-то лазеров настолько огромна, что им можно разрезать камень или металл.

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году. Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году. В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры.

  • Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
  • В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
  • Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров. Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Свойства лазерного излучения

Свет от лазера имеет особенные и очень ценные свойства, выгодно отличающие его от света обычных, тепловых источников.

  • Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
  • Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
  • Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
  • По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.
Каждый электрик должен знать:  Почему так часто перегорают лампы накаливания

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

  • Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
  • Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
  • Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную « линейку » в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

  • Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
  • В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
  • Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
  • В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.

Современные научные исследования

  • Поскольку энергия лазера имеет высокую плотность, а излучение — огромную температуру, становятся возможными исследования веществ в таком экстремальном состоянии, в каком они существуют в раскаленных звездных глубинах.
  • Современные ученые ставят перед собой цель создать термоядерную реакцию. Для этого лазерными лучами необходимо сжимать ампулу со смесью дейтерия с тритием (так называемый термоядерный синтез).
  • Лазер незаменим в генной инженерии и нанотехнологиях (которые работают с объектами размером порядка миллионной доли миллиметра — 10 –9 м). При помощи лучей лазера преодолеваются масштабные ограничения — разрезаются, передвигаются и соединяются между собой невидимые для глаза составляющие части генов, биологических молекул и нанотехнологические детали.
  • Лазерные локаторы — лидары, используются для исследований свойств атмосферы.

Военные лазеры

В военных целях спектр применения лазеров очень велик. Например, их используют в разведке — для поиска целей и связи. Но все же в первую очередь при помощи лазеров изобретают и изготавливают новейшие виды оружия. Лучи химических или эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования обладают колоссальной мощностью. Они способны без особых усилий уничтожать или выводить из строя вражеские боевые спутники и самолеты во время военных действий. Уже сегодня ведутся разработки и существуют примеры лазерных пистолетов, которыми планируется вооружать экипажи военных орбитальных станций. И это не сюжет фантастического фильма, а новейшие научные разработки!

Лазеры в индустрии развлечений

Лазеры нашли широкое применение в индустрии развлечений. Многие знакомы с лазерным шоу: такие представления часто сопровождают фестивали, концерты, праздничные мероприятия. Лазерное шоу может быть создано как внутри помещения, так и на свежем воздухе. Организатор способен выбрать оборудование под свои задачи и проецировать изображение любой сложности в любом цветовом диапазоне.

Так, одним из самых ярких и масштабных событий, которое сопровождалось лазерным шоу, стал концерт знаменитого музыканта Jean-Michel Jarre на Воробьевых горах в 1995 году. Он был приглашен Юрием Лужковым по случаю празднования 850-летия Москвы.

Музыкант выступал перед зданием МГУ, во время мероприятия на фасад университета проецировались фрагменты истории города.

Но в наше время лазерным шоу никого не удивишь. В Нью-Йорке в ноябре 2012-го появилась кратковременная лазерная установка с названием Global Rainbows — 35-километровым лазерным лучом в небо. Установка представляла собой

пучок из семи мощных лазерных лучей всех цветов радуги, которые могли быть направлены как в одну сторону, так и в разные. Конструкция была установлена после того, как на город обрушился ураган «Сэнди» в октябре 2012 года. Гигантская радуга показывала: город пережил катастрофу, и его жизнь продолжается.

Еще одним интересным примером применения лазера в индустрии развлечений стал лазерный костюм для вечеринок, разработанный тайваньским дизайнером по имени Wei-Chieh Shih. Одежда представляет собой лазерную установку и способна освещать все вокруг красным светом, генерируя лучи, направленные в разные стороны.

Лазеры в сфере транспорта

Лазеры могут быть полезны и в сфере транспорта. Так, например, в Нидерландах планируют внедрить установку лазерных излучателей на локомотивах поездов: это позволит убирать мусор и опавшие листья с путей прямо во время движения. Ведь все посторонние предметы, прилипшие к колесам, увеличивают тормозной путь и повышают риск катастрофы.

Лазер может быть использован и при езде на велосипеде. Велосипедными дорожками оснащены далеко не все улицы. А в темное время суток автомобилисты могут не увидеть разметку. В «умных» байках появилась необычная функция: они могут проецировать велосипедную дорожку при помощи лазерной установки. Такой подход повышает безопасность: велосипедист становится видимым и для других участников дорожного движения в темное время суток.

Еще один схожий способ применения лазера предложили создатели инновационной системы уличной безопасности Guardian. Смысл разработки — в установке специальных излучателей на столбах возле светофоров. Когда горит красный свет для пешеходов, проход закрыт лазерным лучом. Как только загорается зеленый, красный свет закрывает путь автомобилистам. Система направлена на повышение безопасности на дорогах: она работает как сдерживающий психологический фактор.

Лазерные гаджеты

Лазер встроен в некоторые современные гаджеты. Так, например, устройство Magic Cube способно проецировать виртуальную клавиатуру на рабочий стол или другую поверхность. Гаджет ориентирован на пользователей планшетов и смартфонов.

Применение лазеров в спорте

Интересное применение лазера придумала компания Nike. Разработка представляет собой мобильную установку, которая может проецировать поля для игры в футбол при помощи лазерных лучей. Площадку можно создать на любой ровной поверхности — как в городе, так и за его пределами.

Выводы

Мы нисколько не преувеличиваем, когда говорим, что, появившись в середине XX века, лазеры сыграли в нашей жизни такую же значимую роль, как электричество и радио. Лазер проник практически во все области деятельности человека, и если вдруг изъять его, то мир перестанет быть таким привычным и комфортным. Даже текст этой статьи, читаемый вами сегодня с компьютера или смартфона, доступен благодаря полупроводниковым лазерам, активно используемым в новейших оптических средствах связи. Без лазеров невозможно представить компьютеры, а значит, и огромный пласт современной жизни человека. Будучи очень интересно устроенным, лазер открывает перед современной наукой новые перспективы развития. Свойства его невероятно многогранны, и можно смело сказать, что лазерный луч « высвечивает » себе путь абсолютно во всех сферах человеческой жизни, делая ее качественнее и счастливее!

Поделитесь этим с друзьями!

Автор HiTecher с 2020 года, редактор, педагог. Имеет степень бакалавра с отличием по английской литературе, сертификат PGCE в квалификации преподавателя PCET. Живет в Саутгемптоне (Великобритания).

Будьте первым, кто оставит комментарий

Пожалуйста, авторизируйтесь для возможности комментировать

Газовые лазеры

Газовый ла́зер — лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в газообразном состоянии (в отличие от твёрдых тел в твердотельных лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).

Разновидностями газового лазера являются газодинамические лазеры, химические газовые лазеры и эксимерные лазеры.

К достоинствам газовых лазеров можно отнести дешевизну и легкость эксплуатации мощных лазеров, что предопределило их широкое распространение в промышленной резке материалов.

Устройство

Газовый лазер с электрической накачкой состоит из герметичной трубки с газообразным рабочим телом и элементами оптического резонатора. Накачка энергии в активную среду лазера производится с помощью электрических разрядов в газе, получаемых чаще всего помощью электродов в полости трубки.

История

Создателем газового лазера был американский физик Али Джаван совместно с У. Беннетом и Д. Эрриотом. Газовый лазер был первым непрерывным лазером, применявшимся в телекоммуникационной индустрии совместно с волоконной оптикой. Газовые лазеры сделали голографию практичной. Газовые лазеры активно используются во многих сферах деятельности, в том числе и в медицине.

См. также

  • Виды лазеров
  • Устройство лазера
  • Лазерный диод

Ссылки

  • [books.google.com/books? >
Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Отрывок, характеризующий Газовый лазер

– Сейчас, сейчас, – сказал он, мокая перо.
– Вы всё умеете делать не во время, – сказала Вера. – То прибежали в гостиную, так что всем совестно сделалось за вас.
Несмотря на то, или именно потому, что сказанное ею было совершенно справедливо, никто ей не отвечал, и все четверо только переглядывались между собой. Она медлила в комнате с чернильницей в руке.
– И какие могут быть в ваши года секреты между Наташей и Борисом и между вами, – всё одни глупости!
– Ну, что тебе за дело, Вера? – тихеньким голоском, заступнически проговорила Наташа.
Она, видимо, была ко всем еще более, чем всегда, в этот день добра и ласкова.
– Очень глупо, – сказала Вера, – мне совестно за вас. Что за секреты?…
– У каждого свои секреты. Мы тебя с Бергом не трогаем, – сказала Наташа разгорячаясь.
– Я думаю, не трогаете, – сказала Вера, – потому что в моих поступках никогда ничего не может быть дурного. А вот я маменьке скажу, как ты с Борисом обходишься.
– Наталья Ильинишна очень хорошо со мной обходится, – сказал Борис. – Я не могу жаловаться, – сказал он.
– Оставьте, Борис, вы такой дипломат (слово дипломат было в большом ходу у детей в том особом значении, какое они придавали этому слову); даже скучно, – сказала Наташа оскорбленным, дрожащим голосом.

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

1.Особенности лазерного излучения.

2.Природа лазерного излучения.

3.Разновидности лазеров. Газовые лазеры.

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора оптического квантового генератора, или лазера

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” составлено из первых букв английского словосочетания, означающего ”усиление света в результате вынужденного излучения”

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, — это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы)

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения

На возможность усиления света в среде с инверсной населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г . советский физик

В.А. Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность в электрическом разряде в газе

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо “снимать” инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением “вбок” можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров

В 1955 г . одновременно и независимо Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения

Спустя несколько лет, в 1960 г ., американским физиком Т. Мейманом был создан первый действующий квантовый генератор оптического диапазона – лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия АL2О3 с небольшой добавкой = 0,05% хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульс a =0,0001с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ

С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электрического затвора можно “включить “ обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности “снимется” вынужденным излучением за очень короткое время

В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт

Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения

При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лавины будет возрастать прежде всего в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе

Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 0,00001 радиана, т.е. на уровне угловых секунд

Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра, соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру воображаемого черного тела, использованного в качестве источника светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча — его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями

Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в промышленности для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии, как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий (диаметром 1-10 мкм и глубиной до 10-100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности

В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники — фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15-0,2 мкм

Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1=0,01-0,001 мкм), оказывается просто фантастическим

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от загрязненных поверхностей, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мкм достигает 100м/ч при расходе электроэнергии 10 кВт/ч

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Газовыми называются лазеры, в которых активной средой являются газ, смесь нескольких газов или смесь газов с парами металла.

Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также, по-видимому, посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности

Особенности газовых лазеров большей часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны, они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностыо, лучшей, чем в любом другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (

2000А) до далекой инфракрасной области (

0,4 мм ), частично захватывая микроволновую область. Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя к. п. д. превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном ре жиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров

Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие оптические длины резонатора и вследствие этого получать высокую направленность и монохроматичность излучения

Типичный лазер на нейтральных атомах (атомарный) – это газоразрядный гелий-неоновый лазер, в котором используется смесь гелия и неона в соотношении примерно 10:1,5:1 при общем давлении в газоразрядной трубке около 80 Па. Вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передачи энергии атомам неона (рис 1.)

При возбуждении газовой смеси электрическим током (постоянным или переменным с частотой около 30 МГц) возникает тлеющий разряд, подобный разряду в рекламной неоновой лампе. В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня Е­ 1 на долгоживущие возбужденные уровни Е 4 и Е 5 . Инверсия населенностей создается благодаря большей населенности этих уровней по сравнению с короткоживущим уровнем Е 3 . В чистом неоне созданию инверсии населенности мешает метастабильный уровень Е 2 , поэтому полезным оказалось введения в рабочую смесь гелия

Под действием электрического разряда часть атомов гелия ионизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией. Эти электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их из основного состояния Е 1 на долгоживущие возбужденные уровни Е 2 и Е 3 , которые близки к уровням Е 4 и Е 5 неона. Поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона возникает высокая вероятность резонансной передачи возбуждения , в результате чего атомы неона оказываются на уровнях Е 4 и Е 5 , а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Вероятность возбуждения атомов неона до уровней Е 2 и Е 3 ­­ за счет столкновений с атомами гелия мала, так как энергия этих состояний существенно отличается от энергии уровней Е 2 и Е 3 ­­ гелия. Таким образом, использование вспомогательного газа – гелия дает возможность осуществить дополнительно заселение энергетических уровней неона и получить инверсию населенностей между уровнями Е 3 и Е 4 , Е 5

Каждый электрик должен знать:  Измерение частоты переменного тока в сети приборы и методы

Поскольку уровень Е 3 неона является короткоживущим, на переходах Е 4 Е 3 и Е 5 Е 3 , можно получить непрерывную генерацию. Переходу Е 4 Е 3 соответствует генерация в ближней инфракрасной области с длиной волны 1,153 мкм, а переходу Е 5 Е 3 – в красной области видимого спектра с длиной волны 0,6328 мкм. Каждый из уровней Е 3 , в диапазоне видимого и инфракрасного спектров гелий-неоновый лазер может содержать большое число (

130) спектральных линий. Выделение нужной спектральной линии осуществляется подбором зеркал оптического резонатора, введением в резонатор диспергирующего или селективно поглощающего элемента, постоянного магнита. Между уровнями Е 4 и Е ­5 неона есть еще один короткоживущий уровень, переход атомов на который с уровня Е 5 позволяет получить генерацию на длине волны 3,392 мкм

В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газоразрядной трубке, длина которой может достигать 0,2…1 м. Трубка изготавливается из высококачественного стекла или кварца. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. Увеличение диаметра ведет к увеличению рабочей смеси, что способствует возрастанию мощности генерации. Однако с увеличением диаметра трубки уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов, что в конечном итоге снижает мощность генерации. Для уменьшения потерь торцы газоразрядной трубки закрыты плоскопараллельными пластинками, которые расположены не перпендикулярно к оси трубки, а так, чтобы нормаль к этой пластинке составляла с осью трубки угол i Б = arctg n ( n – показатель преломления материала пластинки), называемый углом Брюстера . Особенность отражения электромагнитной волны от границы раздела различных сред под углом i Б широко применяется в лазерной технике. Установка выходных окон кювета с активной средой под углом Брюстера однозначно определяет поляризацию лазерного излучения. Для излучения, поляризованного в плоскости падения, потери в резонаторе минимальны. Естественно, именно это линейно-поляризованное излучение устанавливается в лазере и является преобладающим

Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование электромагнитных колебаний с частотой 30 МГц при помощи в несколько десятков ватт

Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током при напряжении 1000…2000 В, получаемым с помощью стабилизированных выпрямителей. В этом случае газоразрядная трубка подогревным и холодным катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на который подается импульсное напряжение около 12 кВ. это напряжение получают путем разряда конденсатора емкостью 1…2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора

Достоинством гелий-неоновых лазеров являются когерентность их излучения, малая потребляемая мощность (8…10 Вт) и небольшие размеры. Основные недостатки – невысокий КПД (0,01…0,1 %) и низкая выходная мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать в импульсном режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой амплитуды при длительности в единицы микросекунд. Главные области практического применения гелий-неоновых лазеров – научные исследования и измерительная техника

Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой плотности (

Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4 p ) и нижним (4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4 p , имеющий по сравнению с уровнем 4 s большее время жизни, заселяются ионами аргона за счет из столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5 p . В то же время уровень 5 p, обладающий очень коротким временем жизни, быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5 p , 5 s , 4 p состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515

В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (

0,1 %) и большая потребляемая мощность (3…5 кВт)

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Первые расчеты, касающиеся возможности создания лазеров, и первые патенты относились главным образом к газовым лазерам, так как схемы энергетических уровней и условия возбуждения в этом случае более понятны, чем для веществ в твердом состоянии. Однако первым был открыт рубиновый лазер, хотя вскоре был создан и газовый лазер. В конце 1960 г . Джаван, Беннет и Херриотт создали гелий-неоновый лазер, работающий в инфракрасной области на ряде линий в районе 1 мкм. В последующие два года гелий-неоновый лазер был усовершенствован, а также были открыты друг е газовые лазеры, .работающие в инфракрасной области, включая лазеры с использованием других благородных газов и атомарного кислорода. Однако наибольший интерес к газовым лазерам был вызван открытием генерации гелий-неонового лазера на красной линии 6328 А при условиях, лишь незначительно отличавшихся от условий, при которых была получена генерация в первом газовом лазере. Получение генерации в видимой области спектра стимулировало интерес не только к поискам дополнительным переходов такого типа, но и к лазерным применениям, так как при этом были открыты многие новые и неожиданные явления, а лазерный луч получил новые применения в качестве лабораторного инструмента. Два года, последовавшие за открытием генерации на линии 6328 А, были насыщены большим количеством технических усовершенствований, направленных главным образом на достижение большей мощности и большей компактности этого типа лазера. Тем временем продолжались поиски новых длин волн и были открыты многие инфракрасные и несколько новых переходов в видимой области спектра. Наиболее важным из них является открытие Матиасом и импульсных лазерных переходов в молекулярном азоте и в окиси углерода

Следующим наиболее важным этапом в развитии лазеров было, по-видимому, открытие Беллом в конце 1963г. лазера, работающего на ионах ртути. Хотя лазер на ионах ртути сам по себе не оправдал первоначальных надежд на получение больших мощностей в непрерывном режиме в красной и зеленой областях спектра, это открытие указало новые режимы разряда, при которых могут быть обнаружены лазерные переходы в видимой области спектра. Поиски таких переходов были проведены также среди других ионов. Вскоре было обнаружено, что ионы аргона представляют собой наилучший источник лазерных переходов с большой мощностью в видимой области и что на них может быть получена генерация в непрерывном режиме . В результате дальнейших усовершенствований аргонового лазера в непрерывном режиме была получена наиболее высокая мощность, какая только возможна в видимой области. В результате поисков была открыта генерация на 200 ионных переходах, сосредоточенных главным образом в видимой, а также в ультрафиолетовой частях спектра. Такие поиски, по-видимому, еще не окончены; в журналах по прикладной физике и в технических журналах часто появляются сообщения о генерации на новых длинах волн,

Тем временем, технические усовершенствования лазеров быстро расширялись, в результате чего исчезли многие “колдовские” ухищрения первых конструкций гелий-неоновых и других газовых лазеров. Исследования таких лазеров, начатые Беннетом , продолжались до тех пор, пока не был создан гелий-неоновый лазер, который можно установить на обычном столе с полной уверенностью в том, что лазер будет функционировать так, как это ожидалось при его создании. Аргоновый ионный лазер не исследован столь же хорошо; однако большое число оригинальных работ Гордона Бриджеса и позволяет предвидеть в разумных пределах возможные параметры такого лазера

На протяжении последнего года появился ряд интересных работ, посвященных газовым лазерам, однако еще слишком рано определять их относительную ценность. Ко всеобщему удивлению наиболее важным достижением явилось открытие Пейтелом генерации вынужденного излучения в СО2 на полосе 1,6 мк с высоким КПД. Выходная мощность в этих лазерах может быть доведена до сотен ватт, что обещает открыть целую новую область лазерных применений

Список использованной литературы:

Энциклопедический словарь юного физика (гл. редактор Мигдал А.Б.)

Москва “Педагогика” 1991г

Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев “Физика 11”

Москва “Просвещение” 1993г

О.Ф.Кабардин “Физика” Москва “Просвещение” 1988г

”Газовые лазеры” (под. ред. Н.Н. Соболева) Москва “Мир” 1968г

Газовые лазеры

Активная среда CО2-лазера – смесь углекислого газа CO2, гелия He и азота N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. Длина волны излучения CО2-лазера — 10 мкм.

Газовый лазер представляет собой стеклянную трубку, заполненную газовой смесью низкого давления.

Перед началом работы производится поджиг — молекулы газа ионизуются высоковольтным импульсом.

Ионы переводит в возбужденное состояние постоянный электрический ток. Трубка помещена между двумя зеркалами — полностью отражающим и полупрозрачным, через которое выводится лазерное излучение. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона построил в конце 1960 года американский физик А. Джаван.

Из-за наименьшей расходимости луча CО2-лазеры являются самыми универсальными, так как позволяют располагать источник излучения вдали от зоны обработки без снижения качества лазерного луча. Особенно это влияет при обработке неровных материалов. Эти лазеры используются в основном для резки и гравировки.

CО2-лазеры пригодны как для резки металлов, так и неметаллов, почти любых. Не рекомендуется использовать лазерную резку только для ряда материалов со сложной структурой — ДСП, бакелитовые фанеры, граниты. Однако для резки металлов нужен достаточно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов — 1000 и более Ватт.

В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые щелевые (slab) CО2-лазеры с накачкой высокочастотным разрядом. Такие лазеры, в отличие от других углекислотных лазеров, обеспечивают суперимпульсный режим излучения. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10-20 кГц, так что при средней мощности, например, 500 Вт мощность в импульсе составляет 1000-1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как уменьшается ширина реза, улучшается качество и снижается порог начала резки.

Импульсные лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка и сплавов на медной основе, но здесь эффективность очень сильно зависит от химического состава.

Газы для лазеров

Состав газов для лазеров

Для генерации лазерных пучков в газовых лазерах используются газы. Смесь газов, необходимых для работы CO2 лазера, содержит 60-85% гелия, 13-55% азота и 1-9% углекислого газа. Точный состав зависит от типа лазера и его изготовителя.

Для некоторых типов лазеров также требуется добавка небольших количеств других газов, например, кислорода, водорода или ксенона. С другой стороны, смесь газов для TEA лазеров часто содержит небольшой процент CO. CO является токсичным и агрессивным газом, при его применении в системе подачи газа должны быть установлены дополнительные устройства защиты.

Используемый для эксимерных лазеров газ содержит 0,05-0,3% галогена (фтора или хлористого водорода), 1-10% инертного газа (криптона, ксенона или аргона) и 90-99% буферного газа (гелия или неона). По соображениям безопасности галоген всегда разбавляется гелием или неоном.

Чистота газов для лазеров

В настоящее время изготовители лазеров требуют применения для них газов сравнительно высокой чистоты. Наличие загрязнений в газах для лазеров ухудшает работу лазера за счет уменьшения его выходной мощности, нарушения однородности электрического разряда, а также при этом возникает необходимость часто выполнять техническое обслуживание оптики лазера.

Чистота лазерных газов имеет очень высокое значение для эффективности работы лазера и срока его эксплуатации. Минимальный стандарт чистоты лазерных газов – 99,999, состав примесей также имеет высокое значение и должен быть известен для оператора лазерной установки. К оборудованию, применяющемуся для понижения давления и стабилизации потока лазерного газа применяются особые требования по числу ступеней снижения давления, материалу, герметичности, системе фильтрации и регулировке выходного потока.Наиболее вредными примесями являются пары воды и углеводороды. Однако примеси могут попадать в газы не только из самих баллонов, но также при использовании плохо сконструированной и смонтированной системой распределения газа.

связи с этим для обеспечения надежной и удовлетворительной работы лазера очень важным является выбор подходящих компонентов системы подачи газа и ее квалифицированный монтаж.

Российское подразделение Linde Gas предлагает любые газовые смеси и чистые газы для лазерной резки, сварки, маркировки и гравировки, эксимерные смеси и специализированное газораспределительное оборудование. Кроме того, возможны поставки специализированных газовых смесей, изготовленных подразделением Linde Gas в Германии для зарубежных лазерных установок (Rofin и др.).

Лазерные вещества газовых лазеров

Главное отличие лазерного вещества галового лазера от лазерного вещества твердотельного лазера заключается в малой плотности вещества, вследствие
чего энергетический спектр активных частиц (нейтральных атомов, ионов, молекул) не искажается воздействием нолей других атомов и это определяет малую ширину энергетических уров­ней. В газовых лазерах в отличие от высокомощных твердотельных (руби­новых или стеклянных) исключена возможность разрушении вещества ла­зерным излучением. В них также срав­нительно легко можно обеспечить отвод теплоты путем удалении горячего газа из области взаимодействия.

Высокая оптическая однородность среды обеспечивается сравнительно не­большой плотностью газов, где пучок практически не рассеивается. Это в зна­чительной степени объясняет высокую монохроматичность и направленность излучения газовых лазеров. В то же время из-за малой плотности лазер­ного вещества невозможно пеш учить значительные мощности излучения [5, 91.

Возбуждение газов является след­ствием разнообразных процессов: упру­гих и неупругих столкновений, иони­зации и рекомбинации, диссоциации, химических реакций и др. [5, 9]. Этим объясняется разнообразие мето­дов создания инверсной населенности в газовых лазерных веществах. Наи­более распространены три группы мето­дов возбуждения лазерного вещества: электрический разряд, оптическая на­качка и химические реакции [9]. Различают следующие механизмы со­здания инверсной населенности: со­ударения I рода, соударения 11 рода, диссоциацию молекул из преддиссо — циативных состояний, оптическое воз­буждение, фотодиссоциацию, химиче­ские реакции, создание различий во

Рис. 1Л1 * Структура некоторых энергети­ческих уровней неона и двух совпадающих с ними уровней гелия

времени релаксации колебательных и вращательных состояний (например, при адиабатическом расширении моле­кулярного газа в газодинамическом

В атомных газовых лазерах ис­пользуются соударения I рода (упру­гие) электронов с нейтральными ато­мами газа (Ne, Аг, Сг, Хе) и с атомами в парах металлов (Си, РЬ, Мп), а также соударения II рода в процессе передачи энергии от атома одного элемента (например, Не) атому дру­гого элемента (например, Ne), причем атомы находятся в возбужденном со­стоянии [9, 14]. Так, при наличии смеси двух газов (например, Не и Ne), где метастабильпое состояние атомов первого газа совпадает с возбужден­ным состоянием атомов второго газа, происходит эффективная передача энергии от одного атома к другому с переходом атомов первого газа в ос­новное состояние (процесс называют неупругим соударением II рода) 14, 5]. Важное условие реализаций этого про­цесса — равенство энергий активатора и возбужденного уровня других атомов.

Классическим газовым лазером, ра­ботающим по этой схеме, является гслий-неоновый лазер [4].

На рис. 1.11 приведена структура некоторых энергетических уровней неона и двух совпадающих с ними уров­ней гелия, а также указаны три важ­нейших перехода [4]. Наиболее рас­пространены лазеры, генерирующие излучение с длиной волны X = — 0,6328 мкм, для которых заселение верхнего уровня происходит в основ­ном в результате соударений II рода с метастабильиыми атомами гелия 1S0.

Для лазеров этого типа характерны оптимальные соотношения гелия и неона d смеси от 7: 1 до 5 : 1. Расхо­димость потока излучения в гелий* неоновом лазере очень мала и близка к дифракционному пределу (около 2-10

4 рад). У таких лазеров самая высокая стабильность частоты, близ­кая к 10-14. Несмотря па низкую пыходную мощность (до десятков мил­ливатт при усилениях 4—10 % на 1 м и КПД около 10’“—10-*%), высокая стабильность частоты излу­чения, малая расходимость излучения, простота конструкции и достаточно высокий срок службы этих лазеров (до 10 000 ч) обеспечили их широкое распространение.

Известна генерация более чем па 200 линиях многих элементов: инерт­ных газов (гелий, неон, аргон, крип­тон), хлора, брома, ртути, иода, кисло­рода, азота, кремния, серы, фосфора, цинка, кадмия и др. Наиболее распро­страненными и характерными предста­вителями газоразрядных лазеров яв­ляются аргоновые ионные лазеры, причем наибольшая мощность излуче­ния получена на длинах волн 0,488, 0,5145,0,4965 мкм. Выходная мощность в непрерывном режиме достигает десят­ков ватт при максимальном КПД до 0,2% [4].

Ионизация атомов аргона проис­ходит в дуговом разряде при малом давлении (39,9—53,2 Па). Плазма раз­ряда должна быть высокоиопизован — ной, эго двигается использованием в ионных лазерах мощного дугового разряда, отличающегося повышенной степенью ионизации [2]. Так, сила рабочего тока в ионных лазерах соста­вляет несколько десятков ампер, а плотность тока может достигать 1000 А/см2 к более [2, 4, 9],

На рис. 1.12 приведены зависимости выходной мощности от силы тока раз­ряда, а также относительной мощно­сти от давлений аргона и напряжен­ности осевого магнитного поля, кон­центрирующего электроны (а также ионы, но в меньшей степени) вблизи оси трубки, что увеличивает число соударений [9], а также уменьшает эрозию материала стенки разрядной трубки (длина трубки 28 см, диаметр 4 мм, сила тока разряда 30 А).

Вследствие значительных сил токов разрядов усложняются конструктив­ные и технологические задачи. Раз­рядную трубку первоначально выпол­няли из термостойкого материала — кварца — с применением водяного ох­лаждения, и срок службы ее не превы­шал 100 ч. Позднее использовали более стойкие материалы— керамику, алунд, брокерит (ВеО), а также гра­фит [2, 91. Так, трубка из керамики на основе окиси бериллия работает около 1000 ч.

В ионных лазерах кроме аргона используются также другие газы: крип­тон, ксенон, гелий, неон, хлор, азот, а также пары следующих металлов: Cd, Sn, Zn, Se, Pb, ITg, Cu, ТІ, Аи, Мп и др.

В импульсных иогшых лазерах ин­версия населенностей достигается пре­имущественно благодаря переходам атомов (при соударениях С электро­нами) из основного сост ояния на верх­ние возбужденные уровни [2, 4j.

Инверсия населенностей в лазерах непрерывного действия получается с помощью двух — или многоступенчатых процессов: вначале происходит иони­зация с образованием иона в метаста — бильном состоянии, а далее при после­дующих соударениях ион возбужда­ется до более высоких уровней, с ко­торых и переходит на соответствующие лазерные уровни [4, 5, 9].

В 1960 г. было обнаружено выну­жденное испускание излучения в парах металлического кадмия, когда с по­мощью однократно ионизованного ла­зерного вещества была получена гене­рация на длинах волн 0,4416 и 0,325 мкм с мощностью соответственно 200 и 20 мВт. В дальнейшем появилась целая серия работ по ионным лазерам на парах различных металлов [4].

Возбуждение верхних лазерных уровней активных ионов протекает в значительной степени с помощью буферного газа — гелия, давление ко­торого в разрядной трубке составляет несколько сотен паскалей, в то время как давление паров металла существен­но меньше — несколько десятых па­скаля. Так, в Не—Cd-лазере получены пучок с длиной водны 0,4416 мкм и мощностью Ю мВт, а также ультра­фиолетовое излучение с длиной волны 0,325 мкм и мощностью 2,5 мВт [4].

В табл. 1.6 приведены технические характеристики лазеров на парах ме­таллов.

Благодаря значительной выходной мощности ионные лазеры могут быть использованы в промышленности для технологических целей; резки, сварки и т. д.

В общем случае инверсная населен­ность в газе легче достигается в им-

пульсном разряде, чем в непрерывном [2)* Лазерная генерация п газах в импульсном режиме получена на нескольких соты я х_ длин волн, перекры­вающих диапазон* от ультрафиолето­вых (X да 0,ї мкм) до субмиллиметро­вых волн (1 ^ 0,08 см), причем в им­пульсном режиме могут работать ла­зеры на нейтральных атомах, а также ионные и молекулярные. Усиление излучения в разрядных трубках совре­менных импульсных газовых лазеров достигает 600 дБ/м, а пиковые мощ­ности составляют несколько мегаватт [4].

Конструкция импульсных лазеров в основном та же, что и лазеров непре­рывного действия. Специфика импульс­ных квантовых генераторов опреде­ляется импульсным блоком питания, обеспечивающим силу разрядного тока в импульсе до нескольких килоампер при напряжении до -сотен киловатт [2], причем элементы излучателя (раз­рядная трубка и ее арматура) отли­чаются повышенной электрической прочностью и более мощным, чем для стационарного тлеющего разряда, ка­тодом,

Одна из особенностей работы им­пульсных лазеров состоит в том, что
в импульсном режиме легче реализо­вать значительные разрядные токи и мощность системы накачки может быть повышена па несколько порядков, что является предпочтительным для некоторых газовых сред (например, в ионных лазерах), где инверсия, достаточная для генерации, получа­ется только при значительной силе разрядного тока [2].

Другая особенность их работы за­ключается в наличии высоко располо­женных возбужденных состояний, что позволяет использовать для генераций в ультрафиолетовой области спектр возбужденных состояний мпогозгіряд­ных ионов, поскольку эффективное их возбуждение возможно именно в им­пульсном разряде [2].

В импульсных лазерах для инверс­ного заселения возбужденных состоя­ний можно использовать нестационар­ный режим газоразрядной плазмы (при создании микросскупдных им­пульсов тока), т. е. можно получить генерацию и инверсию имїіщшиальїіо только в интервале времени, когда происходит преобразование непозбу — жденный газ — стационарная плазма или стационарная плазма — невозбу — ждеппый газ.

КПД непрерывного лазера [4>

где fp — доля энергии накачки, затра­чиваемой на заселение лазерного уров­ня; hv,> — энергия кванта лазерного перехода; Ес — энергия верхнего уровня. Для непрерывного лазера Днепр » Ю 4-Ю-* [4]. КПД импульс­ного лазера

^ Ее 8пон + ge где gnan и g# — соответственно ста­тистические веса основного и возбу­жденного уровней:

Так как для резонансного возбужде­ния fp « 0,5, то Лими я» 25 %. Прак­тически достаточно легко достигается КПД импульсного лазера примерно 10%.

Газовые лазеры

Длина волны: 5,2 µm — 6 µm
Мощность: 1 W

. Инфракрасный излучатель давно получил название спектральной области «Золушка» из-за низкого уровня излучения черного тела на длинных волнах волн, но это изменилось с развитием лазеров на двуокиси углерода (CO2) и монооксиде углерода (CO). Наша .

Длина волны: 9,1 µm — 10,9 µm
Мощность: 1 W — 180 W

. Серия PL непрерывноволновых лазеров (CW) с решетчатой настройкой, инфракрасные газовые лазеры устанавливают стандарты для мощных, стабильных источников энергии для широкого спектра применений: радиолокационное моделирование Нелинейная .

Длина волны: 118,8, 184,3 µm
Мощность: 0,15, 0,5 W

. Частоты дальнего инфракрасного (FIR) лазера возникают в результате вращательных переходов в возбужденном колебательном состоянии полярной газовой молекулы при низком давлении. Оптически накачанный ИК-лазер основан на селективном поглощении .

Длина волны: 632,8 nm
Мощность: 0,002 W

. 1.Гелиевый неоновый/неоновый лазер с внешним источником питания LSW-10 2.стабильная выходная мощность 3. Монохроматический λ =632.8nm 4.Мощность ≥1,5 мВт .

Длина волны: 10,6 µm
Мощность: 20 W — 1 650 W

. Новое семейство лазеров HYPERICO2 является результатом модернизации проверенной временем серии лазеров SMxxxE и отныне их заменяет. При проектировании мы используем весь наш опыт и ноу-хау прошлого. Одномодовый CO2 лазер с диффузионным .

. Наш лазер, стабилизированный по частоте/интенсивности в 632,8 нм, применяет превосходную тепловую компенсацию, что обеспечивает превосходный баланс высокой выходной мощности и стабильности при низкой чувствительности к температуре и надежности. .

Длина волны: 10,6, 9,4 µm
Мощность: 150 W — 500 W

. CO2-лазеры серии J, построенные на общей платформе, обладают целым рядом высокопроизводительных функций, идеально подходящих для обработки материалов с высокими требованиями. RF-возбужденный промышленный CO2-лазер OEM-производителя DIAMOND .

Длина волны: 10,6 nm
Мощность: 1 200 W

. Обладая более чем тридцатилетним опытом в производстве источников CO2-лазеров, компания EL.EN. установила более 2500 промышленных решений по всему миру Лазерная батарея RF 1222 CO2 LASER сочетает в себе преимущества технологии RF возбуждения .

Длина волны: 10,6 µm
Мощность: 1 000 W — 8 000 W

. Лазерная резка, лазерная сварка или обработка поверхности диффузионным СО2-лазером ROFIN является не только превосходным режущим лазером, но и идеальным инструментом для широкого спектра применений. Отличное качество луча K = 0,95 обеспечивает .

Длина волны: 10,6 µm
Мощность: 10, 25, 50 W

. Все лазеры серии 48 работают от стандартных источников питания 30 В постоянного тока и могут быть либо с вентиляторным охлаждением (модели 48-1 и 48-2), либо с водяным охлаждением. Лазеры серии 48 компании Synrad идеально подходят для .

Длина волны: 488, 458 nm
Мощность: 0,075, 0,025, 0,015 W

. Аргоновые лазеры JDSU с воздушным охлаждением предназначены для сложных OEM-производителей с высоким разрешением, таких как проточная цитометрия, секвенирование ДНК, графическое искусство и контроль полупроводников. Симметричная конструкция .

Длина волны: 308, 248 µm

. Платформа SUSS MicroTec ELP300 для пластин размером от 200 до 300 мм использует новейшую технологию эксимерного лазерного шагового копирования. Благодаря технологии абляции на основе маски и нетеплового сухого травления (248 / 308 нм), .

Длина волны: 594,1, 543,5 nm
Мощность: 0,001, 0,003 W

Длина волны: 10 600 nm
Мощность: 10 W — 70 W

. Описание продукта FlyCO2 — это решение для маркировки пластмасс и натуральных материалов, таких как оргстекло, бумага, дерево, камень, текстиль и мрамор. Лазерная установка чрезвычайно компактна, модульна и может быть полностью интегрирована .

Длина волны: 337,1 nm
Мощность: 40 W

. MNL 100 от LTB Lasertechnik Berlin GmbH — это азотный мини-лазерный газ, обладающий высокой прочностью и долговечностью в эксплуатации. Он поставляется с технологией металлокерамической обработки с высокой точностью и долговечным исполнением, .

Длина волны: 632,8 nm
Мощность: 0,001 W — 0,023 W

. Thorlabs предлагает широкую линейку гелий-неоновых лазеров с выходной мощностью от 0,5 до 22,5 мВт при 632,8 нм (красный). Кроме того, мы предлагаем монтажные решения, а также волоконно-оптические адаптеры и адаптеры SM-Thread. .

Мощность: 15, 25, 50, 100 W

. CO2 лазер для летной маркировки, встраиваемый в автоматические производственные линии. .

Длина волны: 337,1 nm
Мощность: 0,003 W

. Азотный лазер NL100 предназначен для радиационных испытаний ООН и может использовать импульсы 3,5 нс с номиналом 337 нм (ультрафиолетовое излучение) при частоте повторения 20 Гц. Для этого используется пиковая мощность 45 кВт, а средняя .

Ваши предложения по улучшению услуг:

Помогите нам улучшить качество наших услуг:

Добавить комментарий