Наши партнеры ArtmMisto
Г а зовий л а зер, лазер з газоподібної активним середовищем. Трубка з активним газом поміщається в оптичний резонатор , Що складається в найпростішому випадку з двох паралельних дзеркал. Одне з них є напівпрозорим.
Випущених в будь-якому місці трубки світлова хвиля при поширенні її через газ посилюється за рахунок актів вимушеного випускання, що породжують лавину фотонів. Дійшовши до напівпрозорого дзеркала, хвиля частково проходить через нього. Ця частина світлової енергії випромінюється Р. л. зовні. Інша ж частина відбивається від дзеркала і дає початок нової лавині фотонів. Всі фотони ідентичні по частоті, фазі і напрямку поширення. Завдяки цьому випромінювання лазера може володіти надзвичайно великою монохроматичністю, потужністю і різкою спрямованістю (див. лазер , квантова електроніка ).
Перший Г. л. був створений в США в 1960 А. ДЖАВАННА. Існуючі Г. л. працюють в дуже широкому діапазоні довжин хвиль - від ультрафіолетового випромінювання до далекого інфрачервоного випромінювання - як в імпульсному, так і в безперервному режимі. У табл. наведені деякі дані про найбільш поширених Г. л. безперервної дії.
З Г. л., Що працюють тільки в імпульсному режимі, найбільший інтерес представляють лазери ультрафіолетового діапазону на іонах Ne (l = 0,2358 мкм і l = 0,3328 мкм) і на молекулах N2 (l = 0,3371 мкм). Азотний лазер володіє великою імпульсною потужністю.
У випромінюванні Г. л. найбільш виразно проявляються характерні властивості лазерного випромінювання - висока спрямованість і монохроматичность. Істотним достоїнством є їх здатність працювати в безперервному режимі. Застосування нових методів збудження (див. Нижче) і перехід до більш високих тисків газу можуть різко збільшити потужність Р. л. За допомогою Г. л. можливе подальше освоєння далекого інфрачервоного діапазону, діапазонів ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань. Відкриваються нові сфери застосування Р. л., Наприклад в космічних дослідженнях.
Особливості газів як лазерних матеріалів. У порівнянні з твердими тілами і рідинами гази володіють істотно меншою щільністю і більш високою однорідністю. Тому світловий промінь в газі практично не спотворюється, не розсіюється і не відчуває втрат енергії. У таких лазерах порівняно просто порушити тільки один тип електромагнітних хвиль (одну моду). В результаті спрямованість лазерного випромінювання різко збільшується, досягаючи межі, обумовленої дифракцией світла . Розбіжність світлового променя Р. л. в області видимого світла складає 10-5 - 10-4 радий, а в інфрачервоній області 10-4 - 10-3 радий.
На відміну від твердих тіл і рідин, що становлять газ частки (атоми, молекули або іони) взаємодіють один з одним тільки при зіткненнях в процесі теплового руху. Ця взаємодія слабо впливає на розташування рівнів енергії частинок. Тому енергетичний спектр газу відповідає рівням енергії окремих частинок. Спектральні лінії, відповідні переходам часток з одного рівня енергії на інший, в газі розширені незначно. Вузькість спектральних ліній в газі призводить до того, що в лінію потрапляє мало мод резонатора.
Так як газ практично не впливає на поширення випромінювання в резонаторі, стабільність частоти випромінювання Р. л. залежить головним чином від нерухомості дзеркал і всієї конструкції резонатора. Це призводить до надзвичайно високої стабільності частоти випромінювання Р. л. Частота w випромінювання Р. л. відтворюється з точністю до 10-11, а відносна стабільність частоти
Мала щільність газів перешкоджає отриманню високої концентрації збуджених часток. Тому щільність енергії, що генерується у Г. л. істотно нижче, ніж у твердотільних лазерів.
Створення активної газової середовища в газорозрядних лазерах. Активним середовищем Г. л. є сукупність збуджених часток газу (атомів, молекул, іонів), що володіють інверсією населенностей . Це означає, що число часток, «населяють» вищі рівні енергії, більше, ніж число частинок, що знаходяться на більш низьких енергетичних рівнях. У звичайних умовах теплового рівноваги має місце зворотна картина - населеність нижчих рівнів більше, ніж більш високих (див. Больцмана статистика ). У разі інверсії населенностей акти вимушеного випускання фотонів з енергією hn = Єв - Єн, які супроводжують вимушений перехід часток з верхнього рівня Єв на нижній Ен, переважають над актами поглинання цих фотонів. В результаті цього активний газ може генерувати електромагнітне випромінювання частоти
або з довжиною хвилі
Одна з особливостей газу (або суміші газів) - різноманіття фізичних процесів, що призводять до його порушення і створення в ньому інверсії населенностей. Порушення активного середовища випромінюванням газорозрядних ламп, що знайшло широке застосування в твердотільних і рідинних лазерах, мало ефективно для здобуття інверсії населенностей в Р. л., Т. К. Гази мають вузькими лініями поглинання, а лампи випромінюють світло в широкому інтервалі довжин хвиль. В результаті може бути використана тільки незначна частина потужності джерела накачування (ккд малий). У переважній більшості Г. л. інверсія населенностей створюється в електричному розряді (газорозрядні лазери). Електрони, що утворюються в розряді, при зіткненнях з частинками газу (електронний удар) збуджують їх, перекладаючи на вищі рівні енергії. Якщо час життя частинок на верхньому рівні енергії більше, ніж на нижньому, то в газі створюється стійка інверсія населенностей. Порушення атомів і молекул електронним ударом є найбільш розробленим методом здобуття інверсії населенностей в газах. Метод електронного удару застосовний для збудження Р. л. як в безперервному, так і в імпульсному режимах.
Порушення електронним ударом вдало поєднується з ін. Механізмом збудження - передачею енергії, необхідної для збудження частинок одного сорту від часток ін. Сорту при непружних зіткненнях (резонансна передача збудження). Така передача вельми ефективна при збігу рівнів енергії у частинок різного сорту (рис. 1).
У цих випадках створення активного середовища відбувається в два етапи: спочатку електрони збуджують частинки допоміжного газу, потім ці частки в процесі непружних зіткнень з частинками робочого газу передають їм енергію. В результаті цього населяється верхній лазерний рівень. Щоб добре накопичувалася енергія, верхній рівень енергії допоміжного газу повинен володіти великим власним часом життя. Саме за такою схемою здійснюється інверсія населенностей в неоновому лазері.
Гелій-неоновий лазер (А. Джаван, США, 1960). У неоновому лазері робочою речовиною є нейтральні атоми неону Ne. Атоми гелію Чи не служать для передачі енергії збудження. В електричному розряді частина атомів Ne переходить з основного рівня e 1 на збуджений верхній рівень енергії E3. Але в чистому Ne час життя на рівні E3 мало, атоми швидко «зіскакують» з нього на рівні E1 і E2, що перешкоджає створенню досить високої інверсії населенностей для пари рівнів E2 і E3. Домішка Чи не суттєво змінює ситуацію. Перший збуджений рівень Чи не збігається з верхнім рівнем E3 неону. Тому при зіткненні збуджених електронним ударом атомів Чи не з незбудженими атомами Ne (з енергією E1) відбувається передача збудження, в результаті якої атоми Ne будуть порушені, а атоми Чи не повернуться в основний стан. При досить великій кількості атомів Чи не можна домогтися переважного заселення рівня неону. Цьому ж сприяє спустошення рівня E2 неону, що відбувається при зіткненнях атомів із стінками газорозрядної трубки. Для ефективного спустошення рівня E2 діаметр трубки повинен бути досить малий. Однак малий діаметр трубки обмежує кількість Ne і, отже, потужність генерації, Оптимальним, з точки зору максимальної потужності генерації, є діаметр близько 7 мм. Т. о., В результаті спеціального підбору кількостей ( парціальних тисків ) Ne і Хіба ж то й при правильному виборі діаметру газорозрядної трубки встановлюється стаціонарна інверсія населенностей рівнів енергії E2 і E3 неону.
неону E2 і E3. Рівні володіють складною структурою, т. Е. Складаються з безлічі підрівнів. В результаті гелій-неоновий лазер може працювати на 30 довжинах хвиль в області видимого світла і інфрачервоного випромінювання. Дзеркала оптичного резонатора мають багатошарові діелектричні покриття. Це дозволяє створити необхідний коефіцієнт відбиття для заданої довжини хвилі і порушити тим самим в Р. л. генерацію на необхідній частоті.
Основний конструктивний елемент гелій-неонового лазера - газорозрядна трубка (зазвичай з кварцу). Тиск газу в розряді 1 мм рт. ст., причому кількість Чи не зазвичай в 10 разів більше, ніж Ne. На рис. 2 приведена конструкція гелій-неонового лазера, розроблена для застосування у відкритому космосі. Разрядная трубка з внутрішнім діаметром 1,5 мм з корундовою кераміки поміщена між напівпрозорим дзеркалом і відбиває призмою, змонтованими на жорсткій берилієвою трубі (циліндрі). Розряд здійснюється на постійному струмі (8 ма, 1000 в) в двох секціях (кожна довжиною 127 мм) із загальним центральним катодом. Холодний оксіднотанталовий катод (діаметром 48 мм і довжиною 51 мм) розділений на 2 половини діелектричною прокладкою, що забезпечує більш однорідний розподіл струму по поверхні катода. Вакуумні сильфони з нержавіючої сталі, що є анодами, утворюють рухливе з'єднання кожної трубки з тримачами дзеркала і призми. Кожух завершений з лівого кінця вихідним вікном. Лазер розрахований на роботу в космосі протягом 10 000 ч.
Потужність випромінювання гелій-неонових лазерів може досягати десятих доль Вт, ккд не перевищує 0,01%, але висока монохроматичность і спрямованість випромінювання, простота в обігу і надійність конструкції зумовили їх широке застосування. Червоний гелій-неоновий лазер (l = 0,6328 мкм) використовується при юстіровочних і нівелювальних роботах (шахтні роботи, кораблебудування, будівництво великих споруд). Гелій-неоновий лазер широко застосовується в оптичному зв'язку і локації, в голографії і в квантових гіроскопах .
Лазер на вуглекислому газі (К. Пател, США, Ф. Легей, Н. Легей-Соммер, Франція, 1964). Молекули, на відміну від атомів, мають не тільки електронні, але і т. Н. коливальні рівні енергії, обумовлені коливаннями атомів, складових молекулу, щодо положень рівноваги (див. молекула ). Переходи між коливальними рівнями енергії відповідають інфрачервоному випромінюванню. Лазери, в яких використовуються ці переходи, називаються молекулярними. З числа молекулярних лазерів особливо цікавий лазер, в якому використовуються коливальні рівні молекули СО2, між якими створюється інверсія населенностей (СО2-лазер).
У газорозрядних CO2-лазера інверсія населенностей також досягається збудженням молекул електронним ударом і резонансною передачею збудження. Для передачі енергії збудження служать молекули азоту N2, порушувані, в свою чергу, електронним ударом. Зазвичай в умовах тліючого розряду близько 90% молекул азоту переходить в збуджений стан, час життя якого дуже велике. Молекулярний азот добре акумулює енергію збудження і легко передає її молекулам CO2 в процесі непружних зіткнень. Висока інверсія населенностей досягається при додаванні в розрядну суміш Не, який, по-перше, полегшує умови виникнення розряду і, по-друге, в силу своєї високої теплопровідності охолоджує розряд і сприяє спустошенню нижніх лазерних рівнів молекули CO2. Ефективне збудження СО2-лазерів може бути досягнуто хімічними або газодинамічними методами.
Тонка структура коливальних рівнів молекули C02 дозволяє змінювати довжину хвилі (перебудовувати лазер) стрибками через 30-50 Ггц в інтервалі довжин хвиль від 9,4 до 10,6 мкм.
СО2-лазери мають високу потужність (найбільша потужність лазерного випромінювання в безперервному режимі) і високим коефіцієнтом корисної дії. При порушенні молекул CO2 електронним ударом і довжині газорозрядної труби 200 м СО2-лазер випромінює потужність 9 кВт. Існують компактні конструкції з вихідною потужністю в 1 квт. Крім високої вихідної потужності, СО2-лазери мають великий ККД, що досягає 15-20% (можливе досягнення ккд 40%). СО2-лазери можуть принципово ефективно працювати і в імпульсному режимі. Перераховані особливості CO2-лазерів обумовлюють різноманіття їх застосування: технологічні процеси (різання, зварювання), локація і зв'язок (атмосфера прозора для хвиль з l = 10 мкм), фізичні дослідження, пов'язані з отриманням і вивченням високотемпературної плазми (Висока потужність випромінювання), дослідження матеріалів і т. Д.
Газорозрядні трубки СО2-лазерів мають діаметр від 2 до 10 см, довжина їх може бути дуже великий (рис. 3). Зазвичай застосовуються секційні (модульні) конструкції з струмом розряду до декількох а при напрузі до 10 кв на секцію. Т. к. Потужність СО2-лазерів безперервної дії досягає дуже високих значень, серйозною проблемою є виготовлення досить довговічних дзеркал хорошої оптичної якості. Застосовуються покриті золотом сапфірові або металеві дзеркала. Висновок випромінювання найчастіше проводиться через отвори в дзеркалах. Як напівпрозорих вихідних дзеркал застосовуються пластини з високоомного германію, арсеніду галію і т. П.
В електричному розряді СО2-лазерів мають місце небажані ефекти, що руйнують інверсію населенностей, - розігрів газу і дисоціація його молекул. Для їх усунення газова суміш безперервно «проганяється» через розрядні труби лазерів. Так відбувається оновлення активного середовища. Для отримання великих потужностей (декілька квт) в безперервному режимі газ проганяють через трубку з великою швидкістю і розряд відбувається в надзвуковому потоці. Для того щоб уникнути втрат дорогого Не, газова суміш циркулює по замкнутому контуру. Порушення електронним ударом виробляється або в резонаторі, або безпосередньо перед надходженням суміші в резонатор. У кращих приладах практично все молекули CO2, влітають в резонатор, вже порушено і за час прольоту через резонатор віддають енергію збудження у вигляді кванта випромінювання.
Іонні лазери (У. Бріджес, США, 1964). В іонних лазерах інверсія населенностей створюється між електронними рівнями енергії іонізованих атомів інертних газів і парів металів. Інверсія населенностей досягається вибором пари рівнів, для якої нижній лазерний рівень володіє меншим, а верхній - великим часом життя. Необхідність створення великої кількості іонів призводить до того, що щільність струму газового розряду в іонних лазерах досягає десятків тисяч а / см2 Електричний розряд здійснюється в тонких капілярах діаметром до 5 мм. При великій щільності струму газ захоплюється струмом від анода до катода. Для компенсації цього ефекту анодна і катодна області розрядної трубки з'єднуються додатковою довгою трубкою малого діаметру, що забезпечує зворотний рух газу.
Зважаючи на високу щільність струму для виготовлення газорозрядних трубок іонних лазерів застосовуються металокерамічні конструкції або трубки з берилієвої кераміки, що володіють високою теплопровідністю. Ккд іонних лазерів не перевищує 0,01%. В області видимого світла порівняно високою потужністю в безперервному режимі володіють аргонові лазери. Аргоновий іонний лазер генерує випромінювання з l = 0,5145 мкм (зелений промінь) потужністю до декількох десятків пн. Він застосовується в технології обробки твердих матеріалів, при фізичних дослідженнях, в оптичних лініях зв'язку, при оптичній локації штучних супутників Землі.
Іонний лазер на суміші іонів аргону і криптону володіє здатністю перебудовуватися по довжині хвилі (зміною дзеркал) у всьому видимому діапазоні. Він випромінює потужність до 0,1 Вт на хвилях 0,4880 мкм (синій), 0,5145 мкм (зелений), 0,5682 мкм (жовтий) і 0,6471 мкм (червоний промінь).
Дуже перспективний лазер на парах кадмію, що працює в безперервному режимі в синьою (0,4416 мкм) і ультрафіолетовою (0,3250 мкм) областях спектра і володіє високоюмонохроматичністю. Пари Cd утворюються в випарнику, розташованому біля анода (рис. 4). Вони сильно розбавлені Чи не. Рівномірний розподіл Cd в газорозрядної трубці і підбір його концентрації досягаються захопленням пари Cd іонами Чи не від анода до катода. Щільність пари Cd визначається температурою підігрівача. В охолоджувачі біля катода Cd конденсується. Трубка діаметром 2,5 мм і довжиною 140 см при тиску Чи не 4,5 мм рт. ст., температурі підігрівача 250 ° С, струмі розряду 0,12 а і напрузі 4 кв дозволяє отримати потужність 0,1 Вт у синій і 0,004 вт в ультрафіолетовій областях спектру. Кадмієвий лазер застосовується в оптичних дослідженнях (див. нелінійна оптика ), Океанографії, а також фотобиологии і фотохімії.
Газодінамічні лазера (В. К. Конюхов и А. М. Прохоров, СРСР, 1966). Характерною особлівістю газів є можлівість создания швидких потоків газових мас. Если Попередньо сильно нагрітій газ Раптова розшірюється, например при протіканні з надзвуковою швідкістю через сопло, то его температура різко падає. При раптовому зниженні температури молекулярного газу коливальні рівні енергії молекул можуть виявитися збудженими (газодинамічне збудження). Існує СО2-лазер з газодинамічними збудженням. При газодинамічному порушення теплова енергія безпосередньо перетвориться в енергію електромагнітного випромінювання. Потужність випромінювання газодинамічних лазерів, що працюють в безперервному режимі, досягає 100 квт.
Хімічні лазери. Інверсія населенностей в деяких газах може бути створена в результаті хімічних реакцій, при; яких утворюються збуджені атоми, радикали або молекули. Газове середовище зручна для хімічного збудження, т. К. Реагуючі речовини легко і швидко перемішуються і легко транспортуються. Хімічні лазери цікаві тим, що в них відбувається пряме перетворення хімічної енергії в енергію електромагнітного випромінювання. Прикладом хімічного збудження може служити збудження при ланцюговій реакції з'єднання фтору з дейтерієм, в результаті якої виходить збуджений дейтерид фтору DF, передавальний надалі енергію свого збудження молекулам CO2. Видалення продуктів реакції забезпечує безперервний характер роботи цих лазерів.
До хімічних лазерів примикають Р. л., В яких інверсія населенностей досягається за допомогою реакцій фотодиссоциации (розпаду молекул під дією світла). Це бистропротекающие реакції, в ході яких виникають збуджені радикали або атоми. Існує лазер на фотодиссоциации молекули CFзI (С. Г. Раутиан, І. І. Собельман, СРСР). Дисоціація відбувається під дією випромінювання ксенонової лампи-спалаху. Осколком реакції є збуджений атомарний іон I +
кадмієвий
0,3250
кілька тисячних часток
кадмієвий
0,4416
десяті частки
аргоновий
0,4880
одиниці
аргоновий
0,5145
десятки
кріптоновий
0,5682
одиниці
Гелій-неоновий
0,6328
десяті частки
Гелій-неоновий
1,1523
соті частки
ксенонове
2,0261
соті частки
Гелій-неоновий
3,3912
соті частки
СО-лазер
5,6-5,9
сотні
СО2-лазер
9,4-10,6
дес. тисяч
Лазер на молекулах HCN
337
тисячні частки
Літ .: Квантова електроніка, М., 1969; Беннет В., Газові лазери, пров. з англ., М., 1964; Блум А., Газові лазери, «Тр. інституту інженерів по електроніці і радіоелектроніці », 1966, т. 54, № 10; Пател К., Потужні лазери на двоокису вуглецю, «Успіхи фізичних наук», 1969, т. 97, ст. 4; Аллен Л., Джонс Д., Основи фізики газових лазерів, пров. з англ., М., 1970.
Н. В. Карлов.
Мал. 3. СО2-лазер.
Мал. 4. Схематичне зображення кадмиевого лазера: 1 - дзеркала; 2 - вікна для виходу випромінювання; 3 - катод (зліва) і анод (праворуч); 4 - випарник кадмію; 5 - конденсатор пари кадмію; 6 - газорозрядна трубка.
Мал. 2. Поперечний перетин конструкції гелій-неонового лазера для космічних досліджень.
Мал. 1. Схема рівнів енергії допоміжних і робочих часток газоразрядного лазера.
