Аргоновий лазер

Введення

Лазер являє собою джерело монохроматичного когерентного світла з високою спрямованістю світлового променя. Саме слово В«лазерВ» складене з перших букв англійського словосполучення В«Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation В», що означаєВ« посилення світла в результаті вимушеного випромінювання В». Дійсно, основний фізичний процес, що визначає дію лазера, - це вимушене випускання випромінювання. Воно відбувається при взаємодії фотона з порушеною атомом при точному співпадінні енергії фотона з енергією збудження атома (або молекули). В результаті цієї взаємодії збуджений атом переходить в збудженому стані, а надлишок енергії випромінюється у вигляді нового фотона з точно такою ж енергією, напрямком розповсюдження та поляризацією, як і у первинного фотона. Таким чином, наслідком даного процесу є наявність вже двох абсолютно ідентичних фотонів з порушеними атомами, аналогічними першого атома, може виникнути В«ланцюгова реакціяВ» розмноження однакових фотонів, В«летятьВ» абсолютно точно в одному напрямку, що призведе до появі вузьконаправленого світлового променя. Для виникнення лавини ідентичних фотонів необхідна середу, в якій збуджених атомів було б більше, ніж не порушених, оскільки при взаємодії фотонів з незбудженими атомами відбувалося б поглинання фотонів. Така середа називається середовищем з інверсної населеністю рівнів енергії.

Отже, крім вимушеного випускання фотонів збудженими атомами відбувається також процес мимовільного, спонтанного випускання фотонів при переході збуджених атомів в збудженому стані і процес поглинання фотонів при переході атомів з збудженому стану в збуджений. Ці три процеси, супроводжуючі переходи атомів в збуджений стан і назад, були постульовано А. Ейнштейном в 1916 р. Якщо число збуджених атомів велика і існує інверсна населеність рівнів (у верхньому збудженому стані атомів більше, ніж у нижньому, збудженому), то перший же фотон, що народився в Внаслідок спонтанного випромінювання, викличе всенарастающую лавину появи ідентичних йому фотонів. Відбудеться посилення спонтанного випромінювання.

На можливість тиску світла в середовищі з інверсної населеністю за рахунок вимушеного випускання вперше вказав у 1939 р. радянський фізик В.А.Фабрікант, що запропонував створити инверсную населеність в електричному розряді в газі. При одночасному народження (принципово це можливо) великої кількості спонтанно іспущенних фотонів виникне велика кількість лавин, кожна з яких буде поширюватися у своєму напрямку, заданому початковим фотоном відповідної лавини. У результаті ми отримаємо потоки квантів світла, але не зможемо отримати ні направленого променя, ні високою монохроматичністю, так як кожна лавина ініціювалася власним первісним фотоном. Для того щоб середу з інверсної населеністю можна було використовувати, для генерації лазерного променя, тобто направленого променя з високою монохроматичністю, необхідно знімати инверсную населеність за допомогою первинних фотонів, вже володіють однією і тією ж спрямованістю випромінювання та однієї і тієї ж енергією, збігається з енергією даного переходу в атомі. У цьому випадку ми будемо мати лазерний підсилювач світла. Існує, однак, і інший варіант отримання лазерного променя, пов'язаний з використанням зворотного зв'язку. Спонтанно народилися фотони, напрямок розповсюдження яких не перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини фотонів, що виходять за межі середовища. В той же час фотони, напрямок розповсюдження яких перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини, багаторазово посилюються в середовищі внаслідок багаторазового відбиття від дзеркал. Якщо одне з дзеркал буде володіти невеликим пропусканням, то через нього буде виходити спрямований потік фотонів перпендикулярно площині дзеркал. При правильно підібраному пропущенні дзеркал, точної їх налаштуванні відносно один одного і відносно поздовжньої осі середовища з інверсної населеністю зворотній зв'язок може виявитися настільки ефективною, що випромінюванням В«вбокВ» можна буде повністю знехтувати в порівнянні з випромінюванням, що виходить через дзеркала. На практиці це, дійсно вдається зробити. Таку схему зворотного зв'язку називають оптичним резонатором, і саме цей тип резонатора використовують у більшості існуючих лазерів.

Створено безліч різноманітних типів лазерів, що працюють в різних режимах. Існують безперервно накачувати лазери (енергія збудження надходить у активний елемент лазера безперервно), випромінювання яких має вигляд або безперервного світлового потоку, або регулярної послідовності світлових імпульсів. Частота проходження лазерних імпульсів може бути дуже високою - до 107 імпульсів в секунду. Лазери з імпульсною накачкою (енергія збудження надходить в активний елемент окремими імпульсами) можуть випромінювати В«гігантські імпульси В»(тривалість імпульсу 10-8 с, інтенсивність імпульсу в максимумі до 106 кВт), а також надкороткі світлові імпульси (тривалість імпульсу 10-12 с, інтенсивність у максимумі до 109 кВт). В якості активних елементів лазерів застосовуються різні кристали, скла, напівпровідникові матеріали, рідини, а також газові середовища. Для порушення газових активних середовищ використовується електричний розряд в газі.

1. Рівні енергії для лазера на іонах аргону

аргоновий лазер фотон іонний

Активну середу іонних лазерів в загальному випадку утворює плазма тліючого розряду з високою щільністю струму. У найбільш звичайних типах іонних лазерів для практичних цілей використовуються іони інертних газів, найчастіше аргону. Спрощена схема рівнів енергії для лазера на іонах аргону наведена на рис. 1 із зазначенням деяких найбільш важливих лазерних переходів. Повна схема рівнів енергії складна і включає ще багато інших рівні та інші лазерні переходи, не показані на малюнку. Найбільш інтенсивні переходи мають довжини хвиль 0,4880 і 0,5145 мкм. Ці рівні є рівнями іона аргону, так що для роботи аргонового лазера атоми повинні бути попередньо одноразово іонізовані. Основним станом в цій схемі є основний стан іона аргону, яке розташоване вище основного стану нейтрального атома аргону майже на 16 еВ. Крім того, верхні лазерні рівні лежать приблизно на 20 еВ вище основного іонного стану. Звідси випливає, що нейтральному атома аргону повинна бути передана значна кількість енергії для того, щоб перевести його на верхній лазерний рівень іона аргону.

Рис. 1 Схема рівнів енергії однократно іонізованого аргону, що відносяться до роботи аргонового іонного лазера.

Основний стан іона Аr + виходить шляхом видалення одного з шести 3р-електронів зовнішньої оболонки аргону. Збуджені стани 4s і 4р виникають, коли один з залишилися 3р-електронів закидається на рівні відповідно 4s і 4p. З урахуванням взаємодії з іншими 3р-електронами обидва рівня 4s і 4р складаються з декількох рівнів. Збудження верхнього лазерного 4р-рівня відбувається за допомогою двоступеневого процесу, включає в себе зіткнення з двома різними електронами. При першому зіткненні аргон іонізується, тобто переходить в основний стан іона Аr. Що знаходиться в основному стані іон Аr + випробовує друге зіткнення з електроном, що може призвести до наступних трьом різним процесам: 1) безпосереднє збудження іона Аr + на 4р-рівень; 2) збудження в більш високо лежачі стану з подальшими каскадними випромінювальними переходами на рівень 4р; 3) збудження на метастабільні рівні з наступним третього зіткнення з електроном, призводить до збудження на 4р-рівень. Оскільки процеси 1 та 2 включають в себе два етапи, пов'язаних із зіткненнями з електронами, слід очікувати, що швидкість накачування у верхнє стан буде пропорційна квадрату щільності струму розряду. Дійсно, швидкість накачування верхнього стану (dN2/dt) p повинна мати вигляд (dN2/dt) p ~ NeNt ~ N2e, де Ne і Nt - щільності електронів та іонів у плазмі (Ne ≈ Ni в плазмі позитивного стовпа). Так як електричне поле в ...розряді не залежить від розрядного струму, щільність електронів Ne пропорційна щільності розрядного струму і з попереднього вираження випливає, що (dN2/dt) p ~ J2. Можна показати, що при високих щільності струму розглянутий вище процес 3 також призводить до того, що швидкість накачування пропорційна J2. Таким чином, накачування різко зростає із збільшенням щільності струму і для того, щоб розглянутий вище малоефективний двоступінчастий процес дозволив закачати досить іонів у верхнє стан, необхідні високі щільності струму (~ 1 кА/см2). Цим можна пояснити, чому перший запуск Аr +-лазера відбувся спустя близько 3-х років після запуску Не-Ne-лазера. Іон Аr +, будучи закинутий на верхній лазерний рівень 4р, може релаксувати на рівень 4s допомогою швидкої (~ 10-8 с) випромінювальної релаксації. Однак слід зауважити, що релаксація з нижнього лазерного 4s-рівня в основний стан Аr + відбувається за час, який приблизно в 10 разів коротше. Таким чином, умова безперервної генерації виконується.

Зі сказаного вище випливає, що генерацію в аргоновому лазері слід очікувати на переході 4p в†’ 4s. Так як обидва рівня 4s і 4р насправді складаються з багатьох підрівнів, аргоновий лазер може генерувати на багатьох лініях, серед яких найбільш інтенсивними є зелена (О» = 514,5 нм) і синя (О» = 488 нм). З вимірів спектру спонтанного випромінювання було знайдено, що доплеровская ширина лінії О”П… * 0, наприклад зеленого переходу, становить близько 3500 МГц. Це означає, що температура іонів дорівнює Т в‰€ 3000 К. Іншими словами, іони є дуже гарячими завдяки їх прискоренню в електричному полі розряду. Відносно широка доплеровская ширина лінії також призводить до того, що в режимі синхронізації мод в аргоновому лазері спостерігаються порівняно короткі імпульси (~ 150 пс).

Інверсія населенностей між верхнім (Е4) і нижнім (Е3) робочими рівнями створюється наступним чином (рис. 2). Рівень Е4, що має в порівнянні з рівнем Е3 більший час життя, заселяється іонами аргону за рахунок їх зіткнень з швидкими електронами в газовому розряді і за рахунок переходів порушених іонів з групи розташованих вище рівнів Е5. У той же час рівень Е3, володіє дуже коротким часом життя (приблизно в 25 разів менше, ніж час життя рівня Е4), швидко спустошується за рахунок повернення іонів в основний стан. Так як рівні Е3 і Е4 складаються з груп підрівнів, генерація може відбуватися одночасно на декількох довжинах хвиль: від 0,45 до 0,53 мкм.

Рис. 2 Діаграма енергетичних рівнів іонізованого аргону: 1 - збудження при зіткненнях з електронами; 2 - лазерне випромінювання з довжиною хвилі 0,45 мкм; 3 - спонтанні переходи.

2. Основні характеристики аргонового лазера

На відміну від гелій-неонового лазера аргоновий лазер має більш високе посилення і може бути отримана істотно велика вихідна потужність. Вихідна потужність зростає з щільністю струму непропорційно, тому для роботи аргонового лазера бажані вузька трубка і великий струм. У аргонових лазерах можуть використовуватися щільності струму понад 100 А/см ВІ. Висока щільність струму викликає розігрів і суттєво впливає на конструкцію даній операції.

За повідомленнями максимальна вихідна потужність аргонового лазера досягає 150 Вт, але для промислових зразків найбільш характерні значення потужності складають 2-10 Вт Повна вихідна потужність аргонового лазера зазвичай є сумарним випромінюванням на всіх різних довжинах хвиль. Випромінювання на одній довжині хвилі може бути отримано при використанні призми в резонаторі лазера. Внаслідок дисперсії призми промінь лише однієї довжини хвилі буде падати по нормалі до дзеркала, так що лазер може працювати тільки на одній з усіх можливих довжин хвиль. Однак при цьому зменшується вихідна потужність. У табл. 1 наведені характерні значення вихідної потужності для різних довжин хвиль звичайного промислового лазера. Такий лазер класифікується як 4-ватний лазер, оскільки він може випромінювати 4 Вт при роботі без призми, коли може одночасно бути присутнім випромінювання всіх довжин хвиль. Виділення однієї заданої лінії здійснюється поворотом призми.

Таблиця 1 Характерні значення вихідної потужності

Довжина хвилі, мкм Потужність, мВт 0,5145 1400 0,5017 200 0,4965 300 0,4880 1300 0,4765 500 0,4727 100 0,4658 50 0,4579 150 0,3511; 0,3638 100 (спеціальні дзеркала)

У безперервних аргонових лазерах часто використовується магнітне поле. Поле є подовжнім, тобто магнітне поле паралельно осі лазера. Основний ефект магнітного поля полягає в збільшенні концентрації електронів а плазмі. Це пов'язано з тим, що електрони змушені рухатися по спіралях навколо магнітних силових ліній, в внаслідок чого втрати електронів на стінках зменшуються.

Максимальний струм аргонового лазера обмежений фізичним зносом і ерозією внутрішніх поверхонь. Звичайна конструкція аргонового лазера являє собою набір електрично ізольованих, радіаційно-охолоджуваних сегментів, розміщених всередині кварцової вакуумної колби, в якій здійснюється розряд. Сегменти з вузькими отворами виготовляються з матеріалів з мінімальною ерозією. Через великої щільності струму в газорозрядній трубці даній операції повинні використовуватися високотемпературні матеріали для виготовлення обмежують розряд каналів. Описані найрізноманітніші конструкції аргонових лазерів. Зазвичай використовуються такі матеріали, як графіт, кварц або кераміка з окису берилію. Окис берилію, мабуть, особливо добре протистоїть розпорошення в електричному розряді. Її найбільш важлива перевага - висока теплопровідність.

аргонові лазери можуть випромінювати в ультрафіолеті на довжинах хвиль 0,3511 і 0,3638 мкм. Завдяки цьому аргонові лазери є одними з небагатьох комерційно доступних джерел ультрафіолетового лазерного випромінювання. Деякі промислові газові лазери забезпечені системою перенаповнення з метою компенсації зменшення тиску газу в трубці з плином часу. Підживлення газом можна здійснювати за допомогою вимикача, що відкриває клапан до резервуару з аргоном. Трубка може бути доповнена до необхідного оптимального тиску. Ця можливість збільшує термін служби промислових аргонових лазерів.

3. Особливості конструкції аргонового лазера

Рис. 3 Схема конструкції газорозрядної трубки аргонового лазера: 1 - вихідні вікна лазера; 2 - катод; 3 - Канал водяного охолодження; 4 - капіляр; 5 - магніт; 6 - анод; 7 - обвідна газова трубка.

Особливості конструкції аргонового лазера обумовлені тим, що для його роботи потрібна пропускати через газ струм великої щільності (до декількох тисяч ампер на квадратний сантиметр), так як спочатку потрібно іонізувати нейтральні атоми аргону. Тому необхідно передбачити ефективну систему тепловідводу від газорозрядної трубки (рис. 3). Газовий розряд створюють в тонкому (діаметром 5 мм) капілярі 4, охолоджуваному рідиною. Робочий тиск газу - десятки паскалів. Для збільшення концентрації електронів в центрі капіляра в розрядному просторі за допомогою магнітів 5 створюється магнітне поле, яке стискає розряд і не дає йому торкатися стінок. Катод 2 еміттіруєт електрони, які під дією електричного поля, прикладеного між катодом 2 ...і анодом 6, рухаються по капіляру до анода. При цьому газ в капілярі теж починає переміщатися від катода до анода, що може призвести до гасіння розряду, так як у анода тиск значно підвищується. Для вирівнювання тиску по довжині капіляра катодну і анодний порожнини газорозрядної трубки з'єднують обвідний газової трубкою 7, забезпечує вільну циркуляцію газу.

У перших іонних лазерах використовувалися кварцові капіляри, термін служби яких не перевищував 100 ч. В більш пізніх конструкціях застосовувалися металокерамічні капіляри. Перспективними є капіляри на основі окисів берилію, працюючого близько 1000 год

Блок живлення іонного лазера являє собою потужний (близько 10 кВт) випрямляч, вихідна напруга якого становить 200 ... 400 В. Можна використовувати також високочастотне збудження, при якому зростає довговічність капіляра за рахунок того, що іони, бомбардирующие його стінки, при русі в високочастотному поле не встигають придбати великій швидкості. Однак блок живлення в цьому випадку виходить значно складніше, ніж при порушенні лазера постійним струмом.

4. Застосування аргонових лазерів

В даний час іонні аргонові лазери є найбільш потужними джерелами безперервного когерентного випромінювання в ультрафіолетовому та видимому діапазонах спектру. Створені лазери з потужністю випромінювання до 150 Вт Теоретичні оцінки показують, що потужність цих лазерів може бути збільшена до декількох сотень ватів. Широкому поширенню потужних аргонових лазерів перешкоджає їх висока вартість, складність, низький ККД (<10-3) і велика споживана потужність (одиниці кіловат).

аргонові лазери широко використовуються для накачування безперервних лазерів на барвниках, для безлічі наукових застосувань (взаємодія випромінювання з речовиною), в лазерних програм.

5. Список використовуваної літератури

1.

2. Довідник по

3.

4.

5.