Газовые лазеры
ер может содержать большое число (~130)
спектральных линий. Выделение нужной спектральной линии осуществляется
подбором зеркал оптического резонатора, введением в резонатор
диспергирующего или селективно поглощающего элемента, постоянного магнита.
Между уровнями Е4 и Е5 неона есть еще один короткоживущий уровень, переход
атомов на который с уровня Е5 позволяет получить генерацию на длине волны
3,392 мкм.
В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в
газоразрядной трубке, длина которой может достигать 0,2…1 м. Трубка
изготавливается из высококачественного стекла или кварца. Мощность
генерации существенно зависит от диаметра трубки. Увеличение диаметра
ведет к увеличению рабочей смеси, что способствует возрастанию мощности
генерации. Однако с увеличением диаметра трубки уменьшается электронная
температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных
возбуждать атомы газов, что в конечном итоге снижает мощность генерации.
Для уменьшения потерь торцы газоразрядной трубки закрыты
плоскопараллельными пластинками, которые расположены не перпендикулярно к
оси трубки, а так, чтобы нормаль к этой пластинке составляла с осью трубки
угол iБ=arctg n (n – показатель преломления материала пластинки),
называемый углом Брюстера. Особенность отражения электромагнитной волны от
границы раздела различных сред под углом iБ широко применяется в лазерной
технике. Установка выходных окон кювета с активной средой под углом
Брюстера однозначно определяет поляризацию лазерного излучения. Для
излучения, поляризованного в плоскости падения, потери в резонаторе
минимальны. Естественно, именно это линейно-поляризованное излучение
устанавливается в лазере и является преобладающим.
Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который
образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во
фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных
винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи
высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания
представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование
электромагнитных колебаний с частотой 30 МГц при помощи в несколько
десятков ватт.
Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током при
напряжении 1000…2000 В, получаемым с помощью стабилизированных
выпрямителей. В этом случае газоразрядная трубка подогревным и холодным
катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на
который подается импульсное напряжение около 12 кВ. это напряжение получают
путем разряда конденсатора емкостью 1…2 мкФ через первичную обмотку
импульсного трансформатора.
Достоинством гелий-неоновых лазеров являются когерентность их
излучения, малая потребляемая мощность (8…10 Вт) и небольшие размеры.
Основные недостатки – невысокий КПД (0,01…0,1 %) и низкая выходная
мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать в импульсном
режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой
амплитуды при длительности в единицы микросекунд. Главные области
практического применения гелий-неоновых лазеров – научные исследования и
измерительная техника.
Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер
непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в
кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой
плотности (~103 А/см3).
Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4p) и нижним
(4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4p, имеющий по
сравнению с уровнем 4s большее время жизни, заселяются ионами аргона за
счет из столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет
переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5p. В то
же время уровень 5p, обладающий очень коротким временем жизни, быстро
опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни
5p, 5s, 4p состоят из групп подуровней, генерация может происходить
одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515.
В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными
источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и
видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых
лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (~0,1 %) и
большая потребляемая мощность (3…5 кВт).
КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Первые расчеты, касающиеся возможности создания лазеров, и первые
патенты относились главным образом к газовым лазерам, так как схемы
энергетических уровней и условия возбуждения в этом случае более понятны,
чем для веществ в твердом состоянии. Однако первым был открыт рубиновый
лазер, хотя вскоре был создан и газовый лазер. В конце 1960 г. Джаван,
Беннет и Херриотт создали гелий-неоновый лазер, работающий в инфракрасной
области на ряде линий в районе 1 мкм. В последующие два года гелий-неоновый
лазер был усовершенствован, а также были открыты друг е газовые лазеры,
.работающие в инфракрасной области, включая лазеры с использованием других
благородных газов и атомарного кислорода. Однако наибольший интерес к
газовым лазерам был вызван открытием генерации гелий-неонового лазера на
красной линии 6328 А при условиях, лишь незначительно отличавшихся от
условий, при которых была получена генерация в первом газовом лазере.
Получение генерации в видимой области спектра стимулировало интерес не
только к поискам дополнительным переходов такого типа, но и к лазерным
применениям, так как при этом были открыты многие новые и неожиданные
явления, а лазерный луч получил новые применения в качестве лабораторного
инструмента. Два года, последовавшие за открытием генерации на линии 6328
А, были насыщены большим количеством технических усовершенствований,
направленных главным образом на достижение большей мощности и большей
компактности этого типа лазера. Тем временем продолжались поиски новых длин
волн и были открыты многие инфракрасные и несколько новых переходов в
видимой области спектра. Наиболее важным из них является открытие Матиасом
и импульсных лазерных переходов в молекулярном азоте и в окиси углерода.
Следующим наиболее важным этапом в развитии лазеров было, по-
видимому, открытие Беллом в конце 1963г. лазера, работающего на ионах
ртути. Хотя лазер на ионах ртути сам по себе не оправдал первоначальных
надежд на получение больших мощностей в непрерывном режиме в красной и
зеленой областях спектра, это открытие указало новые режимы разряда, при
которых могут быть обнаружены лазерные переходы в видимой области спектра.
Поиски таких переходов были проведены также среди других ионов. Вскоре было
обнаружено, что ионы аргона представляют собой наилучший источник лазерных
переходов с большой мощностью в видимой области и что на них может быть
получена генерация в непрерывном режиме . В результате дальнейших
усовершенствований аргонового лазера в непрерывном режиме была получена
наиболее высокая мощность, какая только возможна в видимой области. В
результате поисков была открыта генерация на 200 ионных переходах,
сосредоточенных главным образом в видимой, а также в ультрафиолетовой
частях спектра. Такие поиски, по-видимому, еще не окончены; в журналах по
прикладной физике и в технических журналах часто появляются сообщения о
генерации на новых длинах волн,
Тем временем .технические усовершенствования лазеров быстро
расширялись, в результате чего исчезли многие “колдовские” ухищрения первых
конструкций гелий-неоновых и других газовых лазеров. Исследования таких
лазеров, начатые Беннетом , продолжались до тех пор, пока не был создан
гелий-неоновый лазер, который можно установить на обычном столе с полной
уверенностью в том, что лазер будет функционировать так, как это ожидалось
при его создании. Аргоновый ионный лазер не исследован столь же хорошо;
однако большое число оригинальных работ Гордона Бриджеса и позволяет
предвидеть в разумных пределах возможные параметры такого лазера.
На протяжении последнего года появился ряд интересных работ, посвященных
газовым лазерам, однако еще слишком рано определять их относительную
ценность. Ко всеобщему удивлению наиболее важным достижением явилось
открытие Пейтелом генерации вынужденного излучения в СО2 на полосе 1,6 мк с
высоким КПД. выходная мощность в этих лазерах может быть доведена до сотен
ватт, что обещает открыть целую новую область лазерных применений.
Список использованной литературы:
1. Энциклопедический словарь юного физика (гл. редактор Мигдал А.Б.)
Москва “Педагогика” 1991г.
2. Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев “Физика 11”
Москва “Просвещение” 1993г.
3. О.Ф.Кабардин “Физика” Москва “Просвещение” 1988г.
4. ”Газовые лазеры” (под. ред. Н.Н. Соболева) Москва “Мир” 1968г.
5. ”Основы лазерной техники” Байбородин Ю. В. 2-е изд., К.:1988, 383с.
| |  скачать работу |
Газовые лазеры |
