Ионные лазеры
Ионные лазеры -- это тип газовых лазеров, в которых верхний уровень заселяется путем двух последовательных столкновении с электронами в электрическом разряде (ионизация + возбуждение). Энергии ионов превосходят атомарные, поэтому ионные лазеры генерируют в видимой и УФ-области спектра.
Из-за большой плотности тока в разрядной трубке может происходить перекачка ионов к катоду, поэтому требуется дополнительный обводной капал. Для предотвращения разрушения трубки при бомбардировке быстрыми ионами ее изготавливают из керамики и помещают в продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом. Радиально движущиеся заряженные частицы испытывают отклоняющее действие силы Лоренца, в результате их траектории искривляются, уменьшая скорость диффузии зарядов к стенкам. Примером может служить аргоновый лазер, генерирующий в видимой области на линиях л 1 = 488 им (голубая) и л 2 = 514,5 им (зеленая).
При проектировании передающих устройств оптических систем связи инженер неизбежно сталкивается с необходимостью выбора источника излучения -- оптического квантового генератора. Выбор генератора зависит от конкретных условий применения системы связи: ее размещения (наземный или космический, подвижный или стационарный варианты), спектрального диапазона работы, импульсного или непрерывного режима, требуемой выходной мощности, требуемой расходимости луча и стабильности частоты, кпд передатчика, ресурса генератора и срока службы системы, видов модуляции и приема, необходимости учета атмосферы и т. д. Каждый из этих факторов необходимо учитывать. Из самых общих соображений можно дать следующие рекомендации .
Газовые ОКГ обладают высокими монохроматичностью и стабильностью частоты, а также малым углом расхождения луча; они могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах при высокой частоте повторения. Недостатками газовых ОКГ являются малый КПД (исключая ОКГ на двуокиси углерода) и относительна большие габариты. Твердотельные ОКГ характеризуются высокой импульсной мощностью и возможностью получения импульсов очень малой длительности. Однако присущие им недостатки -- малый КПД и трудности реализации непрерывного режима работы -- ограничивают до определенной степени их применение в системах связи. Полупроводниковые ОКГ обладают высоким КПД, малыми габаритами, возможностью осуществления непосредственной модуляции током накачки. Однако весьма широкий спектр выходного сигнала и большой угол расхождения луча сдерживают широкое внедрение в оптические системы связи.
Наиболее подходящими для широкополосных оптических систем связи являются гелий-неоновый лазер, лазеры на ионах аргона, АИГ: Nd 3+ (в основном режиме или с удвоением частоты) и лазер на двуокиси углерода. В системах связи мощностью менее 100 мВт, для которых габариты ОКГ и низкий кпд не являются ограничивающими факторами, приемлемы гелий-неоновые ОКГ, обладающие хорошими спектральными свойствами, малой расходимостью луча и большим сроком службы. В системах связи с выходной мощностью свыше 100 мВт наиболее пригодными считаются ОКГ на ионах аргона, АИГ: Nd 3+ и СО 2 . Первые два ОКГ, хотя и обладают низким КПД, могут эффективно использоваться в многоканальных системах связи с повышенной пропускной способностью, работающих в режиме кодово-импульсной модуляции. Для этого ОКГ должны излучать в режиме синхронизации мод. Главным препятствием широкого использования ОКГ на двуокиси углерода, имеющих высокий кпд и обеспечивающих требуемый уровень выходной мощности, является необходимость разработки широкополосных фотоприемников с охлаждением для приема излучения с длиной волны 10,6 мкм. Это препятствие в настоящее время успешно преодолевается.
Ионные лазеры примечательны тем, что дают высокоинтенсивное излучение в видимой и ближней УФ областях. В качестве активных частиц здесь выступают ионы инертных газов.
Наиболее типичным представителем (и наиболее применяемым в медицине) является лазер на ионах аргона (Ar +). Этот лазер дает самое интенсивное непрерывное излучение в видимом диапазоне из всех известных лазеров. Поскольку излучающими частицами являются ионы, а не нейтральные частицы, для достижения порога генерации требуются высокие плотности тока. Газовый разряд здесь выполняет две задачи: обеспечивает высокую концентрацию ионов, фабрикуя ионы из нейтральных атомов, и возбуждает полученные ионы на нужные энергетические уровни. Упрощенная схема рабочих уровней аргонового лазера представлена на рисунке 8.7.
Эффективность двухступенчатого процесса создания инверсии пропорциональна по крайней мере квадрату тока разряда, поскольку эффективность каждого из процессов (ионизация и возбуждение) пропорциональна самому току. Возбуждение 4p и 4s уровней иона Ar + происходит из основного состояния иона 3p 5 :
Ar + e ® Ar + + 2e; Ar + + e ® (Ar +)* + e (8.1)
За возбуждение ответственны столкновения ионов с электронами. Если плотность ионов в основном состоянии N i , а электронов N е, то скорость накачки:
L = dN/dt ~ N i N e » N e 2 (8.2)
Условие N i » N е означает нейтральность плазмы в целом. Но, поскольку в стационарном состоянии N е ~I (I – плотность тока), L~I 2 . Полуэмпирическая формула, следующая из этих простых соображений, дает для выходной мощности аргонового лазера:
P/V = 10 -5 J 2 (8.3)
где Р/V [Вт/см 3 ] - объемная плотность мощности на всех излучающих модах, J - плотность разрядного тока.
Наряду с накачкой верхнего уровня необходимо заботиться об опустошении нижнего. Для ионов аргона соотношение времени жизни рабочих уровней 3p 4 4p и 3p 4 4s неблагоприятно (без внешних факторов нижний уровень является более долгоживущим). Помогает наличие УФ излучения с нижнего уровня с длиной волны около 72 нм. Такой радиационный распад нижнего уровня обеспечивает необходимые условия для инверсии.
Излучение в аргоне получено на 10 линиях перехода между состояниями 4p и 4s , наиболее интенсивными из которых являются линии 514,5 нм (зеленая) и 488,0 нм (синяя). КПД аргонового лазера, ограниченный сверху квантовым пределом ~7% (что следует из схемы уровней), составляет тот же порядок, что и для He-Ne лазера (0,1 – 0,05)%. Оценочно можно считать, что на каждый Вт выходной мощности приходится не менее 1 кВт потребляемой (для отечественных лазеров - не менее 5 кВт).
Для получения высокой плотности тока используются трубки малого диаметра. Разряд в данном случае не является чисто тлеющим, где степень ионизации очень мала, он ближе к дуговому. Высокая концентрация активных частиц дает возможность получать примерно в 1000 раз бóльшие уровни выходной мощности, чем в He-Ne смеси при тех же давлениях и длинах активной среды.
Ионные газовые лазеры были созданы практически одновременно во многих лабораториях, как в СССР, так и в США, в 1963-64 гг., поэтому затруднительно указать приоритетную разработку. Важно отметить, что их появление было предопределено объективными потребностями в получении когерентного излучения большой мощности в видимом диапазоне, причем в непрерывном режиме.
Ввиду больших плотностей тока и малого КПД тепловая нагрузка на активный элемент Ar + -лазера оказывается очень большой. Поэтому разработчикам Ar + -лазеров приходится сталкиваться с весьма серьезными техническими проблемами. Ионная температура в разряде составляет ~ 3000 К (ее можно с достаточной степенью точности оценить по доплеровской ширине линии лазера, составляющей ~ 3500 МГц). Это означает, что электроды и стенки подвергаются интенсивной бомбардировке тяжелыми ионами и претерпевают в процессе работы внушительную эрозию.
Но разогрев и эрозия - это еще не все беды ионных лазеров. Ввиду большой плотности тока ионы Ar + усиленно диффундируют от анода к катоду, что приводит к появлению продольных градиентов давления, расслоению газа в столбе разряда и срыву разряда вообще. Так что разработчикам аргоновых лазеров поначалу было впору схватиться за голову от обилия технологических проблем.
Тем не менее, к чести инженеров и конструкторов, были найдены весьма остроумные и изящные технические решения, позволившие если не решить, то в значительной мере смягчить эти проблемы.
Так, необходимость максимально эффективного теплоотвода заставила весьма взыскательно отнестись к выбору материала газоразрядных трубок. Традиционный термостойкий материал - плавленый кварц - выдерживает не более 500 часов работы. Значительно лучшие результаты обеспечивают керамические материалы, в частности, бериллиевая керамика (BeO). Активные элементы с разрядными каналами из BeO имеют срок службы до 5 тыс. часов, что сравнимо с неон-гелиевыми лазерами.
Но срок службы удлиняется не только за счет выбора материала. Чтобы уменьшить число столкновений ионов со стенками трубки, ее помещают в продольное магнитное поле - в соленоид, соосный с оптической осью. Сильное магнитное поле не только оберегает стенки трубки, но и увеличивает КПД накачки, заставляя ионы чаще сталкиваться и лучше возбуждаться.
Катофорез (диффузия ионов на катод) компенсируется не менее остроумным способом: газоразрядная трубка снабжается обводным каналом, обеспечивающим циркуляцию газа и тем самым «обманывающим» диффузию: ионы как бы «утаскиваются» из-под катода и перетекают в прианодную область. Правда, здесь сразу же пришлось натолкнуться на неприятность: при поджиге разряд легче зажечь по обводному каналу, а не по рабочему промежутку (диаметр обводного канала значительно больше), что, конечно недопустимо. Поэтому приходится делать обводной канал с длиной, существенно превышающей длину основного канала. Обычно это реализуется в виде спиральной трубки из кварца, окружающей разрядный промежуток. Итак, излучатель аргонового лазера, схематично изображенный на рисунке 8.8, имеет довольно сложную конструкцию.
Наибольшее распространение получили Ar + -лазеры непрерывного действия с уровнем выходной мощности от 1 до 20 Вт (на всех линиях от 451,5 до 514,5 нм). Такой «частокол» линий (10) не всегда удобен, поэтому часто Ar + -лазеры снабжаются дисперсионными элементами (призмы, дифракционные решетки). Если говорить о рекордных уровнях мощности Ar + -лазеров, то в непрерывном режиме они могут достигать сотен Вт, но в медицине такие монстры не применяются.
Тепловая нагрузка на активный элемент может быть существенно снижена в импульсном режиме, вплоть до отказа от водяного охлаждения. Такие лазеры представляют несомненный интерес для медицины (подробнее об этом в разделе 4). Однако в импульсном режиме для аргоновых лазеров мощную конкуренцию составляют лазеры на твердом теле, работающие на второй гармонике, а также волоконные лазеры, существенно превосходящие и те, и другие по большинству эксплуатационных характеристик.
ЛИТЕРАТУРА к лекции 8.
1. Н.В. Карлов. «Лекции по квантовой электронике».
2. У. Беннет. Газовые лазеры (обзор).
3. O. Звелто. «Принципы лазеров».
4. В.С. Летохов, В.П. Чеботаев. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения.―М., 1990, 512 с.
5. В.Е. Привалов//Лазер-Информ, 2006, № 19-20, с.5.
6. П.С. Крылов, В.Е. Привалов//Письма в ЖТФ, 2005, 31 , вып. 5, с.7.
7. Райзер Ю.П. // Соросовский образовательный журнал, 1997, N o 8, с. 99–104.
Среди газовых ионных лазеров следует выделить лазеры на ионах инертных газов (Ar + -лазер и Kr + -лазер), а также лазеры на парах металлов, наиболее распространенным из которых является He-Cd лазер.
Ионный аргоновый лазер является достаточно сложным и дорогостоящим устройством, но, несмотря на это, его довольно широко используют в различных областях, поскольку такой лазер способен генерировать достаточно мощное излучение в очень важных областях спектра - в коротковолновой части видимого диапазона и в УФ области.
Схема энергетических состояний нейтрального атома аргона и состояний иона аргона, участвующих в образовании инверсной населенности и лазерной генерации, представлена на слайде. Процесс накачки является двухступенчатым. На первом этапе происходит образование иона аргона в основном состоянии за счет удаления одного из p-электронов внешней оболочки при столкновении с электроном разряда:
При последующем столкновении иона аргона с электроном происходит возбуждение Ar + в состояние 4p:
.
(15.2)
Помимо этих процессов, являющихся главными в процессе накачки, уровень 4p может заселяться каскадно – при первом столкновении заселяются уровни, расположенные ниже уровня 4p, а при следующем столкновении с электроном заселяется уже уровень 4p.
Лазерная генерация осуществляется на переходе 4p→4s. Нижний лазерный уровень опустошается, главным образом, излучательно с переходом в основное состояние Ar + с излучением на длине волны 72 нм. При этом время жизни нижнего лазерного уровня примерно на порядок меньше, чем верхнего. Поэтому аргоновый лазер работает в непрерывном режиме.
В действительности состояния 4p и 4sрасщеплены соответственно на 2 и 9 близкорасположенных компонент, вследствие чего генерация осуществляется на нескольких длинах волн. Наиболее интенсивными из них являются линии генерации с длинами волн 514.5 нм и 488 нм.
Электрический разряд, свойства которого похожи на свойства дугового разряда, происходит в газе низкого давления – оптимальное давление составляет порядка 0.25-0.5 Торр.
Вследствие того, что для возбуждения верхнего лазерного уровня требуется два столкновения аргона с электронами, скорость накачки зависит от квадрата плотности тока разряда. Выражение для скорости накачки верхнего лазерного уровня имеет вид:
,
(15.3)
где N e иN A – плотности электронов и ионов аргона в разряде, причемN e ≈N A
Поскольку электрическое поле разряда не зависит от тока, плотность электронов пропорциональна плотности тока. Такая же зависимость наблюдается и для выходной мощности. Поэтому для достижения выходных мощностей порядка десятков ватт (мощности промышленных аргоновых лазеров находятся в диапазоне от 1 до нескольких десятков ватт) требуются токи порядка 1 А/см 2 при давлениях аргона приблизительно 0.5 Торр. Кроме того, большие плотности тока позволяют поддерживать высокую степень ионизованности газа.
Однако мощность излучения аргонового лазера растет с увеличением тока только до определенных ее значений, а деле начинает уменьшаться вплоть до исчезновения генерации. Спад мощности обусловлен, в основном, девозбуждением электронами верхних лазерных уровней, пленением УФ излучения на длине волны 72 нм, а также 100% ионизацией.
Большие плотности тока приводят к высокой температуре разряда (порядка 3000 К). Ширина линии генерации, уширенной из-за эффекта Доплера, составляет при этом порядка 3.5 ГГц. Высокая температура разряда приводит к необходимости обеспечения водяного охлаждения газоразрядной трубки аргоновых лазеров (в случае аргоновых лазеров, мощность которых не превышает 1 Вт, оказывается достаточным воздушного охлаждения).
Промышленные аргоновые лазеры могут быть как мощными (десятки ватт в непрерывном режиме) с водяным охлаждением, так и маломощными (меньше или порядка ватт в непрерывном режиме) с воздушным охлаждением. В отдельных случаях могут быть получены мощности излучения до сотен ватт.
В заключение еще раз подчеркнем, что использование мощных газовых разрядов требует принятия специальных мер для предохранения от разрушения оболочек и других конструктивных элементов газоразрядных трубок. Поэтому по конструктивному выполнению ионный аргоновый лазер значительно сложнее других газовых лазеров.
Основной длиной волны излучения Kr + лазера является длина волны 647.1 нм.
Схема уровней He-Cd лазера представлена на слайде. Генерация происходит на переходах иона кадмия. Так же, как и в He-Ne лазере, в этом лазере для накачки верхних лазерных уровней используется гелий. Однако механизм столкновительного переноса энергии от гелия к кадмию другой. Сначала при столкновении с электроном происходит возбуждение гелия в одно из метастабильных состояний 2 1 S 0 или 2 3 S 1 . Далее при столкновении возбужденного атома гелия с нейтральным атомом кадмия в основном состоянии происходит заселение верхних лазерных уровней 2 D 3/2 и 2 D 5/2 в соответствии с реакцией Пеннинга:
Остановимся на этой реакции более подробно. Во-первых, отметим, что для ее эффективного протекания несущественным является выполнение условия резонанса для состояний, между которыми происходит энергообмен – нужно лишь, чтобы энергии состояний гелия были больше, чем энергии кадмия, поскольку избыток энергии передается в кинетическую энергию электрона. Во-вторых, результатом этой реакции является не только ионизация кадмия, но и возбуждение образовавшегося иона кадмия.
Существенно, что в реакции Пеннинга могут заселяться состояния 2 D и состояния 2 P. Однако инверсия между этими состояниями достигается как за счет того, что эффективность заселения состояний 2 D все же выше, так и за счет существенно меньших времен жизни состояний 2 P(примерно на два порядка) по сравнению с временами жизни состояний 2 D. Последнее обстоятельство обеспечивает также возможность генерации в непрерывном режиме.
Опустошение нижнего лазерного уровня происходит (так же как и в случае аргонового лазера) излучательно с переходом иона кадмия в основное состояние.
При переходах из состояний 2 D в состояния 2 Pгенерация возникает на двух длинах волн: 441.6 нм и 325 нм. Коэффициент усиления для линии с длиной волны 441.6 нм несколько больше.
Таким образом, механизм возбуждения верхних лазерных уровней в гелий-кадмиевом лазере похож на соответствующий механизм в гелий-неоновом лазере, в то время как механизм опустошения нижнего лазерного уровня такой же, как в аргоновом лазере.
Принципиальное отличие гелий-кадмиевого лазера от гелий-неонового лазера заключается в том, что в гелий-кадмиевом лазере верхние лазерные уровни, соответствующие излучению с длинами волн 441.6 нм и 325 нм, разные, вследствие чего конкуренция между линиями генерации в этом лазере отсутствует.
Отличие от аргонового лазера состоит в том, что скорость накачки и выходная мощность пропорциональны первой степени плотности тока, поскольку реакция Пеннинга является одноступенчатой.
Многие параметры гелий-кадмиевого лазера примерно такие же, как и гелий-неонового. При одинаковой длине резонатора мощности излучения на длине волны генерации 441.6 нм He-Cd лазера и 0.63 мкм He-Ne лазера приблизительно одинаковы, параметры разряда (плотности тока) и рабочей смеси (давление) также близки, примерно одинаковы и температуры разряда, что приводит к сходным величинам ширин неоднородно уширенных линий – порядка 1 ГГц.
Одной из конструктивных особенностей гелий-кадмиевого лазера является схема, обеспечивающая поддержание однородной плотности ионов кадмия по длине газоразрядной трубки – ионный ток приводит к движению кадмия в область катода (процесс называется катафорезом). Следует отметить, что такая же проблема поддержания однородной плотности активной среды свойственна и аргоновым лазерам.
Для решения ее в аргоновых лазерах используется эффект диффузии ионов аргона от катода к аноду. в конструкции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа (рисунок на слайде). Для предотвращения возникновения разряда через эту трубку она делается длиннее основной газоразрядной трубки. Кроме того, трубку обычно помещают в постоянное магнитное поле, параллельное оси трубки. Продольное магнитное поле в значительной степени влияет на параметры плазмы; траектории электронов, движущихся поперек силовых линий поля к стенкам разрядной трубки, закручиваются. В результате частота соударений в плазме повышается, а потери на стенках уменьшаются. Напряжение горения разряда в магнитном поле снижается, и при том же разрядном токе мощность излучения увеличивается, то есть растет КПД.
В гелий-кадмиевых лазерах трубка изначально заполняется только парами гелия. Кадмий же в металлическом виде хранится в специальном резервуаре (небольшое расширение трубки), расположенном вблизи анода. При включении лазера этот резервуар (печка) нагревается до температур порядка 200-300 0 С, кадмий испаряется, его пары достигают области разряда, ионизируются при столкновениях с гелием, движутся в сторону анода и в конечном итоге равномерно заполняют объем разряда. Вблизи катода располагается аналогичный резервуар, который, однако, не нагревается, а охлаждается. Вследствие этого пары кадмия, достигая прикатодной области, конденсируются в этом резервуаре (холодильнике). Лазер работает по такой схеме до тех пор, пока большая часть кадмия не перетечет из печки в холодильник (лазер может обычно работать до 1000 часов). После этого можно поменять местами катод и анод, печку и холодильник, и снова включать лазер.
- по типу активной среды:
o твердотельные;
o газовые;
o жидкостные;
o полупроводниковые;
o плазменные.
- по типу накачки:
виды накачки:
o оптическая;
o электрический разряд в газах;
o электроионизационная;
o тепловая (газодинамическая);
o химическая.
2. Твердотельные лазеры.
Твердотельные лазеры – это такие лазеры, которые используют кристаллический или аморфный диэлектрик.
Основные особенности твердотельных лазеров:
- высокая концентрация частиц: до 10 19 и даже до 10 21 см -3 ;
- высокий удельный энергосъем;
- генерация при малых длинах;
- оптическая однородность (уступает газовым лазерам);
- ширина линии люминесценции (единицы А° –десятки А°),
- основной тип накачки – оптическая накачка.
Активная среда твердотельных лазеров:
Матрица (основа) + активатор (примесь).
Активатор обычно от долей до нескольких процентов по отношению к матрице.
Принцип действия твердотельных лазеров.
В 2-х уровневой системе оптической накачкой инверсию не создать.
На практике используют 3-х или 4-х уровневые системы.
В качестве уровня 3 в 3-х уровневой схеме, и уровня 4 в 4-х уровневой схеме могут использоваться несколько уровней.
Более низким порогом генерации обладает 4-х уровневая схема.
В качестве матриц используется широкий класс веществ, в частности, соли вольфрамовой, молибденовой и плавиковой кислот(H 2 WO 4 , H 2 MoO 4 ,HF), корунд Al 2 O 3 , иттриевые гранаты Y 3 Me 5 O 12 (где Me – Al , Cu , Fe ), например Y 3 Al 5 O 12 – ИАГ, стекла различных составов.
В качестве активатора – хром, кобальт, никель, титан, а также многие редкоземельные элементы.
Примеры эффективных лазерных сред:
Al 2 O 3:Cr 3+ ; Y 3 Al 5 O 12:Nd 3+ ; CaF:Nd 3+ ; стекло:Nd 3+ и т.д. (см. справочник).
Активные элементы твердотельных лазеров имеют различные формы:
Наиболее часто используется форма а).
Системы оптической накачки твердотельных лазеров.
Система оптической накачки предназначена для создания инверсии в активных средах.
Используется как когерентная (лазерная) накачка, так и некогерентная (ламповая).
В случае некогерентной (ламповой) накачки, система оптической накачки состоит из источника оптического излучения (специальной лампы), осветителя (отражателя) и электрического блока питания , питающего источник оптического излучения.
Например, система оптической накачки может включать в себя следующие элементы:
- повышающий транзистор;
- выпрямитель;
- емкость (емкостной накопитель);
- лампа накачки;
- осветитель;
- система поджига импульсной лампы;
- активный элемент.
Используются специальные импульсные лампы, а также лампы непрерывного свечения.
Энергия накачки не должна быть больше предельной энергии для лампы.
U c
Система поджига (6
) управляет моментом начала накачки (разряда в лампе).
Лампы накачки чаще всего имеют форму цилиндра с электродами (рис. 4 ). Так как лампа излучает во все стороны, очень малая доля её излучения попадает на активный элемент (рис. 5 ). Поэтому необходим отражатель (осветитель), который бы направил по возможности большую долю излучения на активный элемент. Примерами таких осветителей являются эллиптический цилиндр (рис. 6 ) и круговой цилиндр (рис. 7 ), внутренние поверхности которых имеют высокие коэффициенты отражения.
В случае мощных лазеров требуется многоламповая накачка и элемент большого диаметра. На рис. 8 схематично показан примет такой системы, вдоль центральной оси которой расположен активный элемент (а.э.), а вдоль фокальных линий полуэллипсов – лампы накачки (л.н.):
Система накачки должна обеспечивать:
o высокую эффективность передачи излучения от лампы накачки к активному элементу;
o высокую однородность (равномерность) накачки в объеме активного элемента (как по длине, так и в поперечном сечении).
Неравномерность оптической накачки активного элемента (особенно в поперечном сечении), приводит к термооптическим искажениям вследствие неравномерности его нагрева, и сильно влияет на характеристики излучения лазеров (порог генерации, угловую расходимость, энергию излучения) и даже может приводить к срыву генерации. Термооптические искажения возникают из-за зависимости коэффициента преломления от теплопередачи и неравномерности ее в активном элементе.
Появление термооптических искажений, эквивалентно изменению конфигурации резонатора, так как оптическая длина резонатора равна .
В твердотельных лазерах сильно проявляются термооптические эффекты, так как показатель преломления n сильно зависит от температуры T. На рис. 9 показан случай, когда центральная область активного элемента имеет более высокую температуру (заштриховано) по сравнению с периферийной областью.
На рис. 10
показан возможный случай неравномерной накачки (а, следовательно, и температуры) активного элемента при изотропном освещении его цилиндрической боковой поверхности. Цилиндрический активный элемент ведет себя как цилиндрическая линза.
К появлению термооптических искажений твердотельных лазеров приводит, кроме неравномерности накачки, охлаждение боковой поверхности, так как теплопроводность ограничена, и центральная часть активного элемента будет иметь большую температуру, чем боковая поверхность.
Для увеличения равномерности накачки используется, в частности, так называемая иммерсионная оболочка.
Она же увеличивает и плотность энергии накачки в активном элементе, так как растет размер поперечного сечения, «захватывающего» излучение накачки.
Это вредное явление «съедает» инверсию и уменьшает энергию генерации в направлении основного излучения, то есть ухудшает характеристики излучения.
Для борьбы с ним используют иммерсионные оболочки, а так же делают шероховатой боковую поверхность (полностью или частично – полоска и кольца) активного элемента.
Недостаток ламповой накачки – её спектр значительно шире полос поглощения (рис. 13 ).
При когерентной (лазерной) накачке можно идеально согласовать излучение накачки с полосами поглощения.
Когерентная накачка является наиболее эффективной с точки зрения согласования спектров. Для когерентной накачки твердотельных лазеров наиболее широко используются полупроводниковые лазеры. Пример такой накачки показан на рис.14.
- блок питания полупроводникового лазера;
- полупроводникового лазер;
- согласующая оптика;
- накачиваемый т.т. лазер.
Рассмотрим в качестве примера рабочие схемы некоторых твердотельных лазеров.
Лазер на рубине.
Al 2 O 3:Cr 3+ - рубин, где в качестве активных центров используются ионы хрома Cr 3+ , введенного в качестве активатора в матрицу Al 2 O 3 . Лазер работает по трехуровневой схеме, показанной на рис.15 .
Энергия генерации в импульсе – до 100 Дж.
Лазер на неодимовом стекле.
Активной средой лазера являются стекла различных составов, где в качестве активных центров используются ионы неодима Nd 3+ , введенного в качестве активатора в стеклянную матрицу, лазер которой работает по четырехуровневой схеме, показанной на рис. 16 .
Лазер на ИАГ.
Активной средой лазера является Y 3 A l 5 O 12:Nd - иттрий – алюминиевый гранат, где в качестве активатора используются ионы неодима (Nd 3+ ), введенного в ИАГ в качестве активатора. Работа лазера аналогична лазеру на неодимовом стекле. Лазер работает по четырехуровневой схеме.
Возможна генерация в непрерывном режиме (до 500 Вт-1кВт).
Твердотельные микролазеры.
Миниатюрные лазеры на твердом теле могут быть реализованы при большой концентрации частиц – до 10 21 см -3 (в десятки - сотни раз больше, чем в ИАГ и стекле). Накачка осуществляется светодиодами или полупроводниковыми лазерами (когерентная накачка).
Материалы, позволяющие вводить высокую концентрацию активатора:
- петнофосфат неодима NdP 5 O 14 ;
- тетрофосфат неодима калия KNdP 4 O 12 ;
- борат неодима-алюминия NdAl 3 (BO 3) 4 ;
- тетрофосфат лития неодима LiNdP 4 O 12 ;
Мощность в импульсе – несколько Вт, 
.
Могут обеспечивать одномодовый режим генерации, конкурируют с полупроводниковыми лазерами. Могут работать в стабильном одночастотном режиме, обеспечивают высокую когерентность и монохроматичность излучения, малая зависимость от температуры.
- гадолиний-скандий-галлиевые гранаты (ГСГГ) и др.
В области стекол наиболее перспективными считаются стекла КНФС (литий-неодим-лантан-фосфатные стекла). Концентрация Nd до 10 21 см -3 .
Перестраиваемые твердотельные лазеры.
Перестраиваемые твердотельные лазеры подразделяют на 3 группы:
1. Кристаллы, активированные ионами переходных элементов.
Примеры:
· Александрит BeAl 2 O 4:Cr 3+ (0.70-0.82 мкм);
· Al 2 O 3:Ti 3+ (0.68-0.93мкм);
· KZn 3:Cr 3+ (0.78-0.86мкм);
· ZnWO 4:Cr 3+ (0.9-1.1мкм).
2. Лазеры на центрах окраски (ЛЦО).
Центрами окраски (ЦО) называются дефекты кристаллической решетки, поглощающие свет в спектральной области, где собственное поглощение кристалла отсутствует (рис. 17 ).
Дефекты кристаллической решетки:
· вакансии (удаленные из узлов кристаллической решетки ионы);
· межузельные ионы;
· примесные атомы;
Центры окраски имеют различные обозначения, соответствующие типу дефекта. Так, например, центры, обусловленные анионными вакансиями, захватывающими электроны, называют f центрами.
Работают по 4-х уровневой схеме, обладают низким порогом возбуждения, широкополосным спектром поглощения и люминесценции.
На рис. 17 показана возможная структура энергетических уровней твердотельного лазера на центрах окраски.
Непрерывные лазеры используют лазерную накачку. Лазеры на ЦО могут генерировать субнаносекундные импульсы.
Перестройка 0.7-3.3мкм.
· LiF (0.62-1.25мкм);
· NaF (0.99-1.4мкм);
· RbCl:Li (2.55-3.28мкм)
В настоящее время совершенствуются лазеры на драгоценных и полудрагоценных камнях (алмаз, сапфир, александрит)
3. Твердотельно-жидкостные лазеры .
Твердотельные лазеры получили широкое применение во многих областях науки и техники, в том числе, и в медицине.
Широко используются (в частности) в медицине импульсные лазеры на ИАГ:
· с гольмием Ho (λ =2.1мкм);
· с эрбием Er (λ =2.79-2.9мкм) –наилучшее поглощение в воде;
· с тулием Tm (λ =1.96-2.01мкм).
В хирургии, кроме того:
· ИАГ: (λ =1.06мкм);
· ИАГ: (λ =1.32мкм);
· КДР-532 (λ =0.532мкм).
Основой для создания широкого спектра медицинских лазеров могут служить кристаллы хромсодержащих скандиевых гранатов:
· ИСГГ:Cr-Nd (иттрий-скандий-галлиевый гранат).
Миниатюрные лазеры на основе эрбиевого стекла (хром-иттербий-эрбиевое стекло)
ЛГС-Х λ =1.54мкм.
Газовые лазеры.
Газовыми лазерами называются лазеры, активная среда которых находится в газообразном состоянии. Это могут быть собственно газы, либо пары жидких или твёрдых веществ.
Основные особенности:
· высокая однородность активной среды;
· высокая степень монохроматичности и когерентности излучения как следствие меньшего взаимовлияния частиц.
Из-за линейчатых спектров (узких полос) поглощения оптическая накачка используется редко.
Наибольшее распространение получила накачка с помощью электрического разряда (как самостоятельного, так и несамостоятельного), а также химическая накачка и тепловая (газодинамическая).
Конструкция активной среды представляет собой кювету (например, трубку), в которой имеется газовая среда, а окна кюветы часто наклонены под углом Брюстера к оси кюветы для уменьшения френелевских потерь на окнах (см. рис.18 )
1. кювета, заполненная газом.
2. Окна Брюстера (установлены под углом Брюстера i Бр
). i Бр = arctg n
,
где n
- относительный показатель преломления материала окон.
При этом излучение, поляризованное в плоскости падения, не будет испытывать френелевское отражение на окнах и для него в резонаторе будут наименьшие потери. Именно на этой поляризации будет генерироваться излучение, то есть излучение при этом будет линейно поляризовано .
Газовые лазеры подразделяются на:
· атомарные (используются нейтральные атомы);
· молекулярные (используются нейтральные молекулы);
· ионные (используются ионы).
В зависимости от вида накачки газовые лазеры подразделяются на:
· Газоэлектроразрядные (самостоятельный электрический разряд)
· Электроионизационные (несамостоятельный электрический разряд)
· Газодинамические (тепловая накачка)
· Химические (химическая накачка)
Механизмы создания инверсии в газоразрядных лазерах.
Газовым разрядом называется совокупность процессов, связанных с прохождением электрического тока через газообразную среду.
При возникновении разряда образуется газоразрядная плазма (особая среда), для которой характерна значительная концентрация заряженных и возбуждённых частиц.
В газовых лазерах используется тлеющий разряд и дуговой. Используется накачка с помощью постоянного тока, как непрерывного, так и импульсного, а также высокочастотное возбуждение.
К возбуждению частиц и образованию инверсии приводят следующие процессы:
Прямое электронное возбуждение (неупругие соударения электронов с частицами)
e + A → e + A*
Ступенчатое электронное возбуждение
e + A* → e + A**
Кроме этих процессов в случае использования вспомогательных (примесных) газов указанные процессы могут дополняться возбуждением основного газа за счёт соударений и резонансного обмена энергией между частицами вспомогательного и основного газов:
e + B = e + B*
B* + A = B = A*,
где А – частицы основного газа.
В – частицы вспомогательного газа (примесного газа).
Этот механизм значительно увеличивает эффективность создания инверсии в газоразрядных лазерах, так как позволяет селективно заселять верхние рабочие (лазерные) уровни.
Кроме того, примесные газы используются для более эффективного охлаждения, разгрузки нижних лазерных уровней (например, Не в лазере на СО 2 ).
Газовые лазеры используют как продольный, так и поперечный электрический разряд.
Лазеры с повышенным давлением
(до атмосферного и большего) используют , а низкого давления
(единицы, десятки тор), как правило, продольный разряд
.
Для охлаждения рабочей смеси газовые лазеры используют как продольный
, так и поперечный
продув газа, причём поперечный продув является более эффективным
, так как смена смеси происходит быстрее, чем при продуве вдоль кюветы (см. рис.), так как ширина кюветы значительно меньше ее длины: h<
Газовые лазеры повышенного давления , используют поперечный электрический разряд и поперечный продув и обозначаются как ТЕА лазеры .
Для обеспечения равномерного электрического разряда во всём объёме рабочей смеси ТЕА лазеров используется система предионизации , создающая в рабочем объёме газа достаточное количество заряженных частиц (электронов и ионов) перед моментом подачи основного напряжения между электродами.
Для преионизации ТЕА лазеров используются электронные пушки, УФ излучение, скользящий разряд.
Чем больше давление газа , тем больше концентрация активных частиц в единице объёма и, соответственно, больше удельный энергосъём .
В лазерах низкого давления уширение линии излучения определяется, в основном, эффектом Доплера и носит неоднородный характер, а при значительных давлениях превалируют столкновительные процессы, определяющие однородное уширение.
Таким образом, характер уширения линии излучения зависит от давления газа .
В атомарных лазерах используются электронные переходы (переходы между электронными уровнями ), а в молекулярных , в основном – переходы между колебательными и вращательными уровнями .
Молекулярные лазеры дают наиболее длинноволновое излучение, так как используют переходы между колебательными и вращательными уровнями: энергия переходов между которыми значительно меньше, чем между электронными уровнями: ∆E эл <<∆E к << ∆E вр
.
Характеристики излучения газовых лазеров зависят как от общего давления газа, так и от парциальных давлений компонентов смеси (их соотношения) – основного и вспомогательного газа.
В ионных лазерах необходимо использовать высокие плотности тока , т.к. кроме возбуждения ионов необходимо создать их высокую концентрацию из нейтральных атомов.
Особенностью электроионизационных лазеров является возможность обеспечения оптимальных значений энергий электронов для возбуждения нужных уровней энергии, что невозможно реализовать в лазерах с самостоятельным электрическим разрядом. Поясним это.
В газоразрядных лазерах энергия электронов расходуется как на создание проводящей плазмы, так и на возбуждение активных частиц. При этом оптимумы энергии для этих двух функций различны. Разделение этих функций осуществляется в электроионизационных лазерах, использующих несамостоятельный заряд.
Рассмотрим в качестве примера некоторые типы газоразрядных лазеров.
Ионные лазеры.
Кювета – капилляр (для получения больших плотностей тока при не очень больших его значениях).
В качестве активной среды в газовых лазерах широко используются CO 2 , N 2 , CO, H 2 , HF, HCl, NO 2 и многие другие молекулы.
Эксимерные лазеры
(лазеры на разлётных молекулах).
Особенностью эксимерных лазеров является генерация в области УФ и видимом участке спектра .
В качестве активной среды в них используются квазимолекулы или эксимерные комплексы атомов , появляющиеся и существующие только в возбужденном состоянии.
Лазерное излучение возникает при переходе эксимерного комплекса из возбужденного состояния (2) в невозбужденное (1), после чего они распадаются на атомы.
Работают эксимерные лазеры на электронно-колебательных переходах таким образом, когда молекула попадает на уровень (1), где нет потенциальной ямы, она распадается на атомы.
Активная среда на разлетных молекулах – среда с постоянно пустующим нижним рабочим уровнем.
К эксимерным молекулам относятся такие молекулы, как:
Ar 2 *, Xe 2 *, Kr 2 *, ArO*, KrO*, XeO*, XeF* и др.
Работают эксимерные лазеры при повышенном давлении (до 10 атм.) для повышения вероятности образования молекул.
Возбуждение производится пучком высокоэнергетических электронов е (сотни кэВ – 1МэВ), электрическим разрядом, быстрым поперечным разрядом и оптическим возбуждением.
Пример реакции, приводящей к образованию молекул:
Xe + + Xe → Xe 2 + + e → Xe 2 *
Xe* + Xe → Xe 2 *
Длительность импульса возбуждения – несколько десятков нс.
Газодинамические лазеры
Такими лазерами называются лазеры, инверсия населения в которых создаётся путём быстрого расширения предварительно нагретой газовой смеси.
Источником энергии служат колебательно возбуждаемые молекулы в сильно нагретом газе, а усиление возникает за счёт различия в скоростях процессов релаксации нижнего и верхнего лазерных уровней во время истечения газа через сверхзвуковое сопло. Этот уникальный тип лазера является прямым преобразователем тепловой энергии в энергию когерентного излучения.
Таким образом, инверсия населения в газоразрядном лазере обеспечивается нагревом и быстрым расширением рабочего газа.
N 2: CO 2: H 2 O
91,3 % 7,5 % 1,2 %
Активные центры – молекулы СО 2 ; t до 1500ºС.
За соплом вследствие резкого расширения газов и падения температуры распределение атомов по уровням должно релаксировать к новому равновесному состоянию, соответствующему более низкой температуре (около 300ºС).
При новой температуре (за соплом):
Мощность такого лазера определяется расходом газа.
Предварительное возбуждение (нагрев) может обеспечиваться и химическими реакциями, и электрическим разрядом.
t u – момент появления инверсии.
Z и = t и · V газа - расстояние от сопла, где начинается область инверсии.
V газ а - скорость истечения газа.
Химические лазеры.
Химические лазеры - это лазеры, в которых возбуждение и инверсия населённостей достигается за счёт осуществления химических реакций. Связи перестраиваются таким образом, что компоненты оказываются в возбуждённом состоянии.
Различают 2 вида химических лазеров:
· с инициированием химической реакции , когда для обеспечения условий,
необходимых для протекания химической реакции требуется предварительное возбуждение реагентов, вступающих в реакцию (диссоциация, фотодиссоциация, нагревание). Это приводит к необходимости специальных инициирующих устройств;
· химическая реакция возникает самопроизвольно при смешивании компонент
(без инициирования). Генерация химических лазеров обусловлена появлением инверсии между колебательно-вращательными или вращательными уровнями двухатомных молекул, образующейся в результате химического взаимодействия.
Пример химического лазера без инициирования химической реакции:
H 2 + F = HF* + H F – атомарный фтор.
(D 2) (DF*)
F 2 + NO → ONF + F - так получают атомарный фтор в результате химической реакции.
HF* - колебательная возбуждённая молекула.
V = 1…..6
λ = (3,5 ÷ 5,0) мкм
Существует большое число химических лазеров (см. литературу).
Жидкостные лазеры
Жидкостные лазеры - это лазеры, где в качестве активной среды используются жидкие среды.
В связи с этим они имеют ряд особенностей:
· не ограничен объём активной среды;
· более высокая оптическая однородность по сравнению с твёрдыми телами;
· возможность более высокой концентрации активных центров по сравнению с газами, что позволяет генерировать высокие мощности;
· легко решается проблема теплоотвода, так как жидкость можно прокачивать через рабочий объём;
· форма активного элемента определяется формой кюветы, которая заполняется жидкостью.
Например:
В зависимости от типа активной среды жидкостные лазеры делятся на 3 типа:
1. Лазеры на растворах редкоземельных хелатов (сложные органические
комплексы, в которых ионы редкоземельных элементов находятся в окружении атомов кислорода, принадлежащих органической молекуле);
2. Лазеры на растворах неорганических соединений редкоземельных элементов
(типичные ионные системы). Отличаются высокой эффективностью и фотохимической стойкостью (например, раствор окиси неодима в оксихлориде селена Nd (SeOCl 2). Работа аналогична твердотельному лазеру на неодимовом стекле.
3. Растворы органических красителей. Эти лазеры наиболее широко
распространены и дают возможность перестройки длины волны в широком диапазоне длин волн (от УФ до ИК).
Активная среда жидкостных лазеров состоит из растворителя и растворённого в нём активного вещества.
В качестве растворителя используются различные вещества, например, такие как:
· дистиллированная вода;
· спирты;
· кислоты;
· глицерин;
· ацетон.
В лазерах на растворах органических красителей используются органические красители, которые составляют обширный класс сложных органических соединений, который в отличие от других лазерных материалов характеризуется широкой полосой люминесценции (до 0,2 мкм) и имеет неустойчивый верхний лазерный уровень (длительность возбужденного состояния 10 -8 ÷ 10 -9 с).
Лазерное излучение получено на красителях, относящихся к 3 группам:
1. Ксантеновые красители;
2. Полиметиновые красители;
3. Производные кумарина.
В настоящее время широко используются, в частности, следующие красители:
Родамин 6G (λ – 0,55 мкм) I
Родамин G (λ – 0,585 мкм) I Растворитель -
Родамин B (λ – 0,608 мкм) I этиловый спирт.
Акридон (λ – 0,437 мкм) I
И др. (см. справочные материалы).
Основные физические представления о механизме генерации растворов красителей.
В начале, при создании жидкостных лазеров пытались получить генерацию также как в твёрдых телах. Вводили примесные ионы, искали узкие энергетические уровни (метастабильные), вводили элементы редких земель, железо и т.п. Генерация была очень неэффективной.
Затем поняли, что если уровни достаточно широкие, то можно получить генерацию и в двухуровневой системе, что невозможно, если уровни узкие, так как при этом невозможно осуществить инверсию.
Итак, основная особенность лазеров на красителях – это использование двух уровней значительной ширины.
Молекулы красителя весьма сложны и обладают широкими энергетическими уровнями (полосами). Полоса – это широкий уровень, состоящий из огромного числа подуровней. На приведённой ниже схеме изображены нижние электронно-колебательные уровни молекулы красителя.
τ в.у., τ н..у - время внутренней релаксации;
S - синглетные уровни (имеют скомпенсированные спины);
Т - триплетные уровни (имеют нескомпенсированный спин).
Наиболее вероятны переходы синглет-синглет, чем синглет-триплет, так как последние связаны с переориентацией спина. Переориентация спина связана со столкновениями частиц.
S 0: ↓↓↓ скомпенсированный
S 1: ↓↓ ↓ спин
T 0: ↓↓ нескомпенсированный спин
Накачку производят из нижней части полосы S 0 в верхнюю часть полосы S 1 . При этом нарушается тепловое равновесие (распределение Больцмана) как между уровнями S 1 - S 0 , так и между подуровнями внутри каждой из полос S 1 и S 0 . Время релаксации между уровнями S 1 и S 0 составляет ~10 -8 ÷10 -9 с (время межуровневой релаксации) и значительно больше, чем время релаксации между подуровнями полосы S 0 и полосы S 1 , которое составляет ~10 -12 с (время внутриуровневой релаксации).
Таким образом, время межуровневой релаксации S 1 → S 0 значительно больше времени внутриуровневой релаксации в полосах S 1 и S 0 .
Это обстоятельство и позволяет получать инверсию населённостей между нижней частью полосы S 1 и верхней частью полосы S 0 при воздействии накачки, описанной выше. При этом генерация возможна в широком диапазоне длин волн, соответствующих переходам между различными подуровнями нижней части полосы S 1 и верхней части полосы S 0 и возможна перестройка генерируемых длин волн в широком диапазоне!
Обратим внимание на то, что длительность импульса накачки должна быть короткой и не превышать время релаксации S 1 → T 1 ,так как в противном случае молекулы начнут переходить на уровень T 0 , затем поднимаются на уровень T 1 и генерация прекратится, так как молекулы не вернутся в исходное состояние S 0 .
Таким образом, хотя в данном случае используются 2 уровня (но широких), генерация происходит как в четырёхуровневой схеме со всеми её преимуществами.
Дополнительное пояснение:
На рис. 35 пунктирной линией показано распределение частиц до начала накачки (равновесное распределение Больцмана), а сплошными линиями, то распределение, которое устанавливается внутри полос S 1 и S 0 после накачки за время внутриуровневой релаксации и свидетельствующее о факте возникновения инверсии между частью подуровневой полосы S 1 и S 0 .
Способы возбуждения (накачки) жидкостных лазеров .
Лазеры на растворах красителей работают с оптической накачкой .
Важной особенностью является то, что импульс не должен превышать время межуровневой релаксации S 1 → T 0 , то есть быть не более 10 -6 с . При коротком импульсе переходы S 1 → T 0 не успевают проявиться. Для накачки используют как лазеры (лазерная накачка), обычно работающие в режиме модуляции добротности (τ генерации ~ 10 -8 ÷ 10 -9 с ), так и специальные лампы накачки (в частности, коаксиальной конструкции, имеющие малую индуктивность), излучающие короткие импульсы.
При лазерной накачке (например, с помощью рубинового лазера) с модуляцией добротности (особенно, для фталоцианиновых красителей), неодимового лазера с модуляцией добротности (для полиметиновых красителей), азотного лазера (λ ~ 3000Å ) различают 2 варианта:
- Продольная накачка :
- Поперечная накачка :
При ламповой накачке используют, в частности, коаксиальные лампы.
Естественным шагом вперед в развитии газовых лазеров было включение в число активных сред наряду с газами, состоящими из нейтральных атомов, также ионизованных и молекулярных газов. Молекулярные лазеры рассмотрены в следующей главе.
О достижении импульсной лазерной генерации в парах ртути II на длине волны первым сообщил Белл в 1964 г. . В спектроскопии число, обозначенное римской цифрой, если его уменьшить на единицу, означает кратность ионизации. Таким образом символ обозначает пары ртути в атомарном негонизо-ванном состоянии, II - в состоянии однократной ионизации. В апреле того же года Бриджес }