Атомарные газоразрядные лазеры

Содержание
1. Общая классификация лазеров
1.1 Газовые лазеры
1.2 Атомарные газоразрядные лазеры
Список использованных источников
1. Общая классификация лазеров
Традиционно принято классифицировать лазеры по следующим признакам: агрегатному состоянию лазерного вещества (на газовые, жидкостные, твердотельные, полупроводниковые); методу накачки (на химические, газодинамические, газоразрядные, инжекционные и др.); временному режиму генерации (на непрерывные, импульсные, импульсно-периодические); частотному режиму генерации (на одно- и многомодовые, одночастотные); уровню генерируемой мощности (энергии) излучения; эксплуатационным параметрам.
Приведем основные параметры (характеристики) лазеров независимо от их типа.
1) Энергетические: мощность излучения Р для непрерывных лазеров; энергия излучения Е для импульсных; средняя мощность Рср для импульсно-периодических лазеров; долговременная и кратковременная нестабильность мощности излучения.
2) Пространственно-энергетические: диаметр и расходимость лазерного излучения; диаграмма направленности; распределение интенсивности в поперечном сечении.
3) Временные: длительность импульса ф; частота повторения импульсов f.
4) Спектральные: длина волны (частота v) излучения; полуширина спектральной линии излучения Дv; модовый состав излучения, нестабильность частоты во времени и др.
5) Эксплуатационные: КПД лазера, потребляемая мощность Рпотр, мощность системы накачки Рн, время готовности лазера к работе tгот, масса, габаритные размеры, срок службы, стоимость, расход газов, воды и т.д.
1.1 Газовые лазеры
В газовых лазерах (ГЛ) активной средой являются различные газы, их смеси и пары металлов.
ГЛ занимают особое место в квантовой электронике благодаря некоторым специфическим особенностям газообразных сред. Во-первых, они прозрачны в широком спектральном диапазоне, поэтому возможна генерация лазерного излучения от вакуумной УФ области до далекой ИК области спектра как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Во-вторых, высокая оптическая однородность газов и малое значение позволяют применять оптические резонаторы оптимальных размеров и получать излучение с рекордными по степени временной и пространственной когерентности характеристиками. В-третьих, для создания инверсной населенности могут быть использованы разнообразные физические процессы, обеспечивающие создание целой гаммы ГЛ с требуемыми свойствами. В большинстве случаев инверсная населенность создается в газовом разряде. В этом случае газовые лазеры называют газоразрядными (ГРЛ).
В настоящее время ГРЛ являются наиболее распространенными приборами квантовой электроники. В зависимости от типа активных частиц ГРЛ делятся на три основные группы: атомарные, ионные и молекулярные. Они различаются по техническим и эксплуатационным характеристикам, а также областям применения.
Остановимся на основных моментах, являющихся общими для большинства ГРЛ, а именно: на физических процессах в газовых разрядах, способствующих созданию лазерной активной среды.
При возникновении разряда образуется газоразрядная плазма, для которой характерна значительная концентрация заряженных и возбужденных частиц. Рассмотрим наиболее протяженную и однородную область разряда, называемую положительным столбом. В этой области происходят упругие и неупругие столкновения частиц плазмы. При упругих столкновениях суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц не изменяется. При этом устанавливается максвелловское распределение частиц по скоростям и энергиям.
Гораздо более важную роль для создания лазерной активной среды играют неупругие столкновения I и II рода. При неупругих столкновениях I рода энергия сталкивающихся частиц уменьшается. Известны три таких процесса:
Прямое электронное возбуждение: электрон , сталкиваясь с частицей А, расходует свою кинетическую энергию на ее возбуждение: . Кинетическая энергия электрона должна превышать энергию возбужденного состояния А* (знак * указывает на то, что атом А перешел в возбужденное состояние, а исчезновение черточки над индексом электрона говорит об уменьшении его кинетической энергии).
Ступенчатое электронное возбуждение: электрон сталкивается с уже возбужденной частицей А* и переводит ее на более высокий энергетический уровень:. Вероятность данного процесса отлична от нуля, если Еe>Е**-Е* .
Ионизация. При достаточной кинетической энергии электрона возможен отрыв "атомного" электрона с образованием положительного иона: . Вероятность этого процесса отлична от нуля, если энергия электрона превышает энергию ионизации частицы А.
При неупругих столкновениях II рода суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц не изменяется или возрастает. Известны два процесса такого рода.
Резонансная передача возбуждения. При соударении возбужденной частицы А* с невозбужденной В происходит обмен их внутренними энергиями: . В отличие от процессов возбуждения и ионизации электронным ударом данный процесс носит резонансный характер и наиболее вероятен при совпадении энергий возбужденных состояний взаимодействующих частиц.
Ударное девозбуждение (релаксация) служит не для возбуждения верхних лазерных уровней, а для опустошения нижних: .
Перечисленные элементарные процессы обеспечивают при заданных рабочем напряжении Up, плотности тока Jp и давлении р поддержание на определенном уровне концентраций заряженных частиц (прежде всего электронов ) и их энергий, характеризуемых температурами Тe и Тj.
Известно, что в отсутствие процессов объемной ионизации величина Тe определяется произведением давления газа р на внутренний диаметр газоразрядной трубки d: она высока при малых pd и, наоборот, низка при больших pd.
Концентрация электронов прямо пропорциональна плотности разрядного тока Jp. Таким образом, условия разряда в газе будут неизменными, если поддерживать постоянными значения pd и Jp .
Обратимся теперь к вопросу о КПД газоразрядных лазеров. В упрощенном виде эту величину можно представить как, где зн -- эффективность действия накачки, т.е. та доля энергии накачки, вводимой в разряд, которая тратится на возбуждение верхнего лазерного уровня Еj. Отношение hv/Ej , называют также квантовым КПД, величина которого определяется структурой энергетических уровней активного вещества и характеризует максимально возможный для данного лазера КПД при зн>1.
1.2 Атомарные газоразрядные лазеры
Активной средой атомарных ГРЛ служат инертные газы (Не, Ne, Ar и др.) и их смеси, а также пары некоторых металлов (Сu, Рb, Мn и др.). Лазерными уровнями являются энергетические уровни нейтральных атомов, возбуждаемых в газовом разряде.
Типичным представителем этой группы лазеров является гелий-неоновый лазер, который отличается совершенством конструкции, надежностью, широкой номенклатурой серийно выпускаемых моделей. В зависимости от режима работы, конструкции и габаритных размеров мощность излучения составляет от десятков долей до сотен милливатт при КПД от тысячных до сотых долей процента. Стабильность частоты в одночастотном режиме достигает 10-8-10-12, расходимость излучения 0,5--1 мрад. При достаточно высокой безотказности большинство лазеров имеет срок службы от 2000 до 5000 ч, а в отдельных случаях -- более 20 000 ч. В настоящее время серийно выпускаются Не--Ne-лазеры, имеющие повышенную устойчивость к механическим и климатическим воздействиям.
Обратимся к упрощенной диаграмме энергетических уровней атомов Не и Ne , изображенной на рис. 2.1.
Активными (излучающими) частицами являются атомы Ne, описываемые в приближении (Jl) -связи. Необходимо рассматривать следующие возбужденные состояния, участвующие в процессе генерации лазерного излучения: 1) возбужденное состояние 1s с энергией 16,6 эВ, включающее четыре близко лежащих подуровня: 1s2 , 1s3 1s4 и 1s5 ; 2) возбужденное состояние 2р с энергией 18,9 эВ, состоящее из 10 подуровней (2р1, 2р2,..., 2Р10); 3) возбужденное состояние 2s с энергией 19,77 эВ, включающее 4 подуровня; 4) возбужденное состояние 3р с энергией 20,3 эВ, состоящее из 4 подуровней; 5) возбужденное состояние 3s с энергией 20,6 эВ, состоящее из 10 подуровней.
Населенность каждого состояния в установившемся режиме определяется произведением скорости возбуждения (заселения) vвозб на время жизни данного состояния ф. Следовательно, возможность создания инверсии для данной пары состояния определяется соотношением вида >. Для атомов Ne время жизни s-состояний (фs100 нс) на порядок больше времени жизни р-состояний (фp10 не), поэтому даже при равных скоростях их возбуждения возможно получение непрерывной лазерной генерации на переходах s>p. Следует учитывать, что в соответствии с правилами отбора разрешенными являются только переходы в р-состояния. Таким образом, структура энергетических уровней атомов позволяет реализовать трехуровневую схему работы лазера II рода.
Состояние 1s является метастабильным, хорошо "заселяется" в разряде и играет негативную роль, поскольку способствует интенсивному заселению нижних лазерных уровней за счет переходов 1s>2р, 1s>Зр. Нейтрализовать наличие этого состояния можно двумя путями: либо найти возможность усилить релаксацию состояния 1s, либо увеличить населенность верхних лазерных уровней 3s и 2s.
Первая задача - эффективный распад метастабильного состояния 1s -решается в результате столкновений возбужденных атомов Ne* со стенками газоразрядной трубки. Если ее диаметр достаточно мал, то практически все возбужденные частицы, находящиеся в состоянии 1s, за время своей жизни успевают достигнуть стенок газоразрядной трубки. Отдавая путем безызлучательного перехода излишек энергии при столкновении, они переходят в основное (невозбужденное) состояние. Поскольку время жизни атомов Ne в состояниях 2р и Зр значительно меньше, их населенность практически не меняется. Установлено, что оптимальный внутренний диаметр газоразрядной трубки составляет в обычных условиях 3--7 мм. Дальнейшее его уменьшение нецелесообразно в связи с резким увеличением дифракционных потерь и снижением мощности генерируемого излучения.
Вторая задача - увеличение населенности верхних лазерных уровней 3s и 2s -- решается путем добавления атомов гелия.
Излучательные переходы , >запрещены правилами отбора поэтому атомы Не, находящиеся на уровнях и, имеют большое время жизни (около 1 мс), т.е. являются метастабильными. Присутствие в разряде метастабильных атомов Не приводит к эффективному процессу передачи возбуждения по схеме: .
Этот процесс, имеющий резонансный характер, приводит к селективному заселению тех состояний атомов Ne, энергия которых наиболее близка к энергии уровней и атомов Не, а именно 2s2 и 3s2. Таким образом, введение в разряд гелия обеспечивает внешний по отношению к Ne интенсивный канал заселения состояний 2s и 3s, позволяющий увеличить инверсию относительно состояний 2р и Зр.
Как видно из рис. 2.1, генерацию можно получить на одном из лазерных переходов типа 2s > 2p, 3s> 3p или 3s>2р.
Впервые генерация была получена на группе переходов 2s>2р, причем основная доля мощности излучения приходится на переход 2s2>2р4, которому соответствует длина волны = 1,15 мкм. Позднее была получена генерация на группе переходов 3s>Зр, 3s>2р (основные переходы 3s2 >2р4 с = 0,63 мкм и 3s2>3р4 с = 3,39 мкм).
Следует учитывать, что наибольшее усиление (примерно 20 дБ/м) соответствует переходу 3s2 >3р4, поэтому генерация линии 3,39 мкм достигается сравнительно легко даже при использовании простейших металлизированных зеркал. Гораздо "капризнее" переход 3s2>2р4 (=0,63 мкм), характеризуемый наименьшим усилением. Поскольку переходы, соответствующие линиям 0,63 и 3,39 мкм, имеют общий верхний лазерный уровень 3s2, генерация на одной из этих линий резко ослабляет генерацию на другой. В частности, для получения генерации в видимой области необходимо использовать селективно отражающие зеркала, обладающие высоким коэффициентом отражения только на требуемой длине волны 0,63 мкм.
Ширину линии лазерных переходов определяют следующие три эффекта: 1) столкновение атомов Ne друг с другом в обычных условиях приводит к незначительному уширению линии перехода. При р0,5 Па и Т =300 К Днст0,6МГц; 2) естественное уширение определяется выражением вида Днeст=1/2рф, где ф -- среднее время жизни s- и р-состояний атомов Ne (1/ф = 1/фs + 1/фp). С учетом приведенных величин фs и фp ширина линии излучения составит Днeст=20 МГц; 3) для доплеровского уширения, полагая T =300 К, = 0,63 мкм, получаем Днq=1,7 ГГц>> Днeст, Днст. Таким образом, для Не--Ne-лазера преобладающим является механизм доплеровского уширения линии перехода.
Мощность излучения Не--Ne-лазера в значительной мере зависит от параметров разряда: тока разряда Ip ; общего давления смеси р; парциальных давлений гелия и неона pHe и pNe; диаметра разрядной трубки d.
Типичные кривые зависимостей мощности излучения Ризл от тока разряда Ip, общего давления газовой смеси р и времени эксплуатации приведены на рис. 2.2, а, б. Условие самовозбуждения выполняется при Ip= Ip.пор. С увеличением Ip концентрация электронов в области положительного столба пe повышается, что приводит к росту населенности всех возбужденных состояний, в том числе 2s и 3s атомов Ne и , атомов Не за счет прямого электронного возбуждения. Однако при Ip > Ip.опт, когда концентрация электронов в плазме велика, более вероятными становятся процессы ступенчатого электронного возбуждения нижних лазерных уровней 2р и Зр через метастабильный уровень 1s. В результате инверсная населенность уменьшается и Ризл падает вплоть до срыва генерации.
При р > ропт происходит резкое снижение kTe из-за уменьшения длины свободного пробега электронов. При этом существенно сокращается число электронов плазмы с энергией, достаточной для возбуждения атомов Не и Ne в нужные состояния.
Рис. 2.2
Величина Ризл критична также к соотношению парциальных давлений газовых компонент. При их равенстве вероятности прямого () и обратного () процессов одинаковы. Установлено что оптимальные условия достигаются при соотношении парциальных давлений Не и Ne, равном (5--7) :1.
Следует учитывать, что мощность излучения Не--Ne-лазеров не остается постоянной, а постепенно уменьшается вследствие сложных деградационных процессов. Характер изменения мощности излучения He-Ne-лазеров показан на рис. 2.2, в. Установлено, что в процессе непрерывной работы лазера изменяется общее и парциальное давления гелия и неона, в составе газовой смеси появляются примесные газы (Н2, СО2, О2, СО и др.), выделяемые конструкционными элементами газоразрядной трубки.
Основные схемы конструкций Не--Ne-лазеров приведены на рис. 2.3. Существенными ее элементами являются газоразрядная трубка 2, содержащая газовую смесь, и зеркала резонатора 1 (рис. 2.3, а). Моноблочная конструкция (рис. 2.3, б) позволяет повысить стабильность лазера.
Как видно из рис. 2.3, а, последовательно с газоразрядной трубкой включен балластный резистор Rб, ограничивающий силу тока после пробоя газа, стабилизирующий разряд и защищающий источник питания от перегрузки. Источник питания представляет собой маломощный высоковольтный выпрямитель, рассчитанный на питание от сети переменного тока или аккумулятора. Поскольку напряжение зажигания разряда в 2-3 раза превышает напряжение горения, в схемах источников питания обычно предусматривают специальную цепь поджига, вырабатывающую на короткое время напряжение Uподж, необходимое для пробоя газа и формирования тлеющего разряда.
В Не-- Ne-лазерах обычно используют зеркала, радиусы кривизны которых подобраны так, чтобы при заданном расстоянии между зеркалами образовывался устойчивый оптический резонатор. Зеркала резонатора крепятся в специальных головках, механизм которых позволяет юстировать резонатор с необходимой точностью. Головки могут располагаться на общем жестком основании или сочленяться с каркасом корпуса лазера. В настоящее время преобладают конструкции лазеров с внешним расположением зеркал по следующим причинам:
1) изготовление газоразрядной трубки становится проще, а срок ее службы увеличивается;
2) зеркала резонатора не подвержены действию газоразрядной плазмы;
3) упрощается замена трубки и зеркал резонатора;
4) возможно размещение дополнительных элементов внутри резонатора с целью управления пространственно-временными характеристиками лазерного излучения;
5) упрощается процесс юстировки.
Рис. 2.3
Для уменьшения потерь при выводе излучения торцы газоразрядной трубки располагают под углом Брюстера к оптической оси резонатора (рис. 2.3, а).
Обычно торцы трубки представляют собой плоскопараллельные стеклянные или кварцевые пластинки. Как известно, коэффициент отражения от поверхности, разделяющей две среды с различным показателем преломления, зависит от угла падения, относительного показателя преломления и типа поляризации падающего излучения. При нормальном падении потери колеблются в пределах 7--13 % и значительно превышают усиление в активной среде He-Ne-лазера на длине волны 0,63 мкм; следовательно, условие самовозбуждения не выполняется и лазерная генерация невозможна.
По технологическим соображениям "просветление" торцевых пластин с целью уменьшения потерь при выводе излучения не нашло широкого применения. В большинстве случаев используется другой метод, основанный на применении закона Брюстера: при наклонном падении излучения коэффициент отражения r существенно зависит от ориентации его плоскости поляризации. В случае совпадения плоскости поляризации падающего излучения с плоскостью падения, когда угол падения равен так называемому углу Брюстера, коэффициент отражения становится равным нулю. Для определения угла Брюстера можно воспользоваться простым соотношением: tgцБр=п ,n - относительный показатель преломления. В частности, для границы раздела стекло-воздух п =1,5-1,6 и цБр=56-58°. Именно под таким углом к оптической оси трубки надо расположить торцевую пластинку, чтобы свести потери на отражение к минимуму. При этом излучение на выходе становится линейно поляризованным.
Наряду с He-Ne-лазерами выпускаются и другие типы атомарных ГРЛ: на основе инертных газов Кr, Аr, Хе, галогенов и паров металлов. Особенно интересен лазер на парах меди, являющийся типичным представителем импульсных лазеров на самоограниченных переходах.
Основными преимуществами лазеров на парах меди являются потенциально высокий КПД в видимой области спектра (до 10%), большие импульсная и средняя мощности излучения, а также частота повторения импульсов (до 50 кГц).
Упрощенная схема уровней атомов меди приведена на рис. 2.4. Два близко расположенных уровня и с временем жизни 0,4 и 0,8 мкс эффективно возбуждаются электронным ударом при накачке, осуществляемой мощным импульсным электрическим разрядом. Инверсия создается относительно метастабильных уровнейи с временем жизни около 1 мкс. Коэффициент усиления активной среды достигает 1000 дБ/м. Мощность генерации на зеленой линии (=0,51 мкм) намного больше, чем на желтой (=0,58 мкм). Длительность импульсов составляет 5--10 нс. Основные трудности при создании лазеров на парах меди связаны с высокой рабочей температурой, необходимой для перевода меди в парообразное состояние (более 1600°С), и исключительно высокой скоростью нарастания переднего фронта возбуждающего импульса тока (более10А/с). Наиболее распространенной является конструкция в виде эффективно охлаждаемой трубки из высокотемпературной керамики на основе оксидов Al или берилия длиной до 1 м с внутренним диаметром 1--6 см. Внутри трубки размещены колечки или отрезки медной проволоки, введены электроды, на которые подают крутые короткие импульсы длительностью 200-300 мкс. При этом ток в импульсе достигает 200--400 А, а длительность переднего фронта составляет 0,03--0,1 мкс. Параметры трубки и разрядного контура подбирают так, чтобы установившаяся температура внутри трубки достигала 1600°С, а давление паров меди более 100 Па. Такой режим работы называют саморазогревным.
Испарение металлической меди может быть заменено диссоциацией летучих галогенов меди (типа CuCl, CuBr, CuJ и др. ), которые уже при температурах 100--700°С диссоциируют в разряде, создавая требуемое давление паров меди.
Атомарные ГРЛ излучают в областях спектра от зеленой до ближней ИК, поскольку именно в этих областях спектра происходят оптические переходы в нейтральных атомах. Для освоения более коротковолнового диапазона (синего и УФ) необходимо разрабатывать другие типы ГРЛ, в частности ионные.
Список использованных источников
1. А. Мэйтлэнд, М. Данн Введение в физику лазеров / А. Мэйтлэнд, М. Данн - М.: Наука, 1978 - 408 с.
2. Хьюстис Д.Л. Газовые лазеры / Хьюстис Д.Л., Чантри П.Д., Виганд В.Д. - М.: Мир, 1986 - 551 с.
3. Кондиленко И.И. Физика лазеров / Кондиленко И.И., Коротков П.А., Хижняк А.И. - Киев: Вища школа, 1984.