Gazli lazerlar, geliy-neon gazli lazerning ishlash prinsipi

Аргонные лазеры

Аргоновый лазер был изобретен в 1964 году Уильям Бриджес и является одним из семейства лазеров Ион, что использование благородных газов в качестве активной среды. С помощью ионизированных инертных газов Ne, Аr, Кr в газовых разрядах на более чем 250 линиях в спектральном диапазоне от 175 до 1100 нм достигается генерация лазерного излучения. При этом, как правило, чем выше состояние ионизации, тем короче длины волн и тем больше энергия фотонов, поскольку отмечается все более сильная связь оптических электронов. Некоторые из лазерных линий возникают из переходов в инертных газах, иногда многократно ионизированных. Столь высокое состояние ионизации с необходимой плотностью ионов возможно только в импульсном режиме. [5]
Особое значение имеют непрерывные лазеры в инертных газах, однократно и двукратно ионизированных. Главным представителем такого типа является ионный аргоновый лазер, который в специальных исполнениях способен генерировать мощности выше 100 Вт в сине-зеленой области спектра и до 60 Вт в ближней ультрафиолетовой области. Это один из самых популярных лазеров коммерческого назначения. Криптоновый лазер с непрерывными мощностями в несколько ватт расширяет область спектра почти до инфракрасной зоны.
Уильям Р. Беннетт был изобретатель первого лазера газ (гелий-неоновый лазер), был первым, кто заметил спектральные эффекты провалов в газовых лазеров, и создал теорию выжигания воздействие на лазерных колебаний. Он был одним из первооткрывателей лазеров при возбуждении электронным ударом в каждом из благородных газов, диссоциативной передачи возбуждения в лазерных неон-кислород (первый химический лазер), и столкновение возбуждения в нескольких лазеры на парах металлов.

1. Энергетические уровни атома AR

Он генерирует одновременно на нескольких длинах волн в диапазоне 454,5–514,5 нм, причем наибольшая интенсивность генерации соответствует линиям с = 488 нм (голубая) и = 514,5 им (зеленая).

Механизм создания инверсии в аргоновом лазере основан на заселении верхнего лазерного уровня благодаря двум последовательным столкновениям атома с электронами в электрическом разряде. Атомы аргона, соударяясь с электронами, ионизуются и переходят на основной уровень иона первое столкновение. Далее ионы аргона, сталкиваясь с электронами, переходят на верхние лазерные уровни. Пусть плотность числа ионов аргона в основном состоянии – N_i,а плотность числа электронов – N_e. В целом плазма разряда электронейтральна, т.е. Ni =N_e. При этом предположении скорость накачки верхних лазерных уровней на единицу объема за счет данного процесса будет


(4)

В стационарном разряде плотность электронов пропорциональна плотности тока разряда: N_e~I. Следовательно, dN/dt~ I². Скорость накачки в стационарных условиях определяет мощность генерации. В стационарном режиме населенность возбужденного состояния ионов в первом приближении равна

(5)

где v – средняя скорость хаотического движения электронов; – максимальное эффективное сечение возбуждения ионов эдектронами; t время жизни возбужденного состояния иона; – .разность энергий между возбужденным и основным состояниями иона; Т_е–электронная температура. Концентрация электронов в плазме равняется концентрации ионов (N_e =Nt), поэтому разность заселенностей двух рабочих уровней – верхнего iи нижнего r – составит

(6)

где – разность энергий между уровнями i и r

Из этого выражения следует, что инверсия ( > 0) возможна при условии > .Поскольку и по значениям близки друг к другу, то возможность инверсии определяется значениями и т.е., временами жизни на рабочих уровнях. Время жизни на верхнем уровне должно быть больше времени жизни на нижнем уровне . Время жизни верхнего лазерного уровня порядка 10-⁸ с, тогда как нижний лазерный уровень (4s) определяется радиационным переходом в основное 'состояние и имеет время жизни около 10 с. [7]
Кроме приведенного механизма создания инверсии, который является основным, имеются еще и другие процессы, дающие вклад в инверсию, Значительный вклад в инверсию могут вносить ступенчатое возбуждение электронным ударом через метастабильные состояния; каскадное заселение верхних уровней сверху. Количественный вклад этих процессов сильно зависит от режима работы лазера и конкретного перехода.
В результате соударения электронов ионизируется атом аргона. Далее, после столкновения второго рода, ион аргона возбуждается в верхний лазерный уровень. Другие механизмы возбуждения заключаются в том, что населенность создается за счет распадов излучения вышележащих уровней либо электронно-столкновительное возбуждение проистекает из более глубоких метастабильных состояний иона аргона.

Упрощенная схема энергетических уровней атома

Как предполагается, все три процесса вносят существенный вклад в заселенность верхнего лазерного уровня, причем, например, на долю каскадных переходов из вышележащих уровней приходится от 25 до 50%. [3,4]

Спектр излучения аргона
Для эффективного возбуждения линий Аr⁺в разряде требуется плотность электронов 10¹⁴ см^-3. Эта величина достигается при плотности тока до 10³А·см² в дуговых разрядах низкого давления. Напряженность поля вдоль разряда составляет порядка 4 В см^-1. Температура нейтрального газа может достигать 5·10³ К. Высокие плотности мощности требуют значительных технических затрат при конструировании лазерных трубок. В большинстве случаев речь идет о керамической трубке с водяным охлаждением, например, из (ВеО) – вещества, обладающего высокой теплопроводностью, почти как у алюминия.
В других вариантах исполнения разряд проводится через снабженные отверстиями вольфрамовые диски, отводящие тепло на трубку посредством держателей из меди. Сегодня в большинстве случаев находят применение трубки именно из (ВеО). Так как порошок (ВеО) сильно ядовит, утилизация таких трубок требует максимальной осторожности с привлечением специализированных организаций. Благодаря своей высокой плотности электроны отжимаются радиально наружу, что приводит к понижению плотности тока. Этот эффект компенсируется за счет внешнего магнитного поля, создаваемого с помощью длинной катушки вокруг лазерной трубки. На электроны воздействует лоренцева сила, направленная перпендикулярно оси и радиальной составляющей движения. В результате этого движение из радиального направления отклоняется на круговую или спиральную траекторию, и разряд концентрируется как раз на оси. Это смягчает влияние плазмы на материалы лазерной трубки, что значительно повышает срок ее службы. Дополнительно увеличиваются скорость накачки и коэффициент полезного действия лазера. Высокие токи берутся из обогреваемых напрямую запасных катодов, а анодами могут служить охлажденные конструктивные элементы из мели. [4,5]
При наличии больших токов в разряде происходит передача импульсов от электронов газу, и осуществляется дрейф газа в сторону катода. Для выравнивания возникающих градиентов давления вдоль трубки в медных дисках выполняются специальные отверстия. Газ в ионном лазере истощается, ибо разряд гонит ионы прямо в стенку. У коммерческих лазеров эта потеря газа компенсируется автоматически из присоединенного резервуара. Давление газа находится на уровне 1–100 Па, причем, в отличие от многих других типов лазеров, здесь используется не смесь газов, а чистый аргон.
В отличие от гелий-неонового лазера, экранирующие эффекты не играют роли в создании инверсии населенностей, и здесь возможна лазерная трубка большого диаметра. Коэффициент усиления для линии 488 нм при длине 50 см примерно составляет: G= 1,35. С учетом качества пучка его диаметр ограничивают величиной от 1,5 до 2 мм. Коэффициенты полезного действия здесь обычно менее 10^-3. Благодаря применению лазерных зеркал с отражением в широком диапазоне одновременно достигается излучение на разных линиях. Для селекции отдельных длин волн используется брюстеровская призма в лазерном резонаторе. Во избежание потерь отражения при такой призме лучи падают на призматические поверхности под углом Брюстера (это угол полной поляризации). Другая сторона призмы ориентирована перпендикулярно пучку лазера, преломляемого на первой поверхности. Вертикальная задняя поверхность имеет высокое зеркальное покрытие. В зависимости от длины волны имеет место разное отклонение пучка в первой поверхности. Путем поворота призмы могут устанавливаться различные линии. Типовые мощности для коммерческого лазера 20 Вт с селекцией по длинам волн. Из-за высокой температуры в области разряда ширина линии составляет – по причине доплеровского уширения – до 6 ГГц. Без частотно-селективных элементов длина когерентности находится в сантиметровом диапазоне. Для применения в сфере голографии это значение увеличивается с учетом внутрирезонаторного эталона. В этом случае ширину полосы можно сократить до 5 МГц. Почти все коммерческие лазеры на инертном газе генерируют на основной ТЕМ_{00 –} моде. Несмотря на значительную нагрузку трубки со стороны высоких токов, ее срок службы достигает многих тысяч рабочих часов.

4.