к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Газоразрядные лазеры

Газоразрядные лазеры - наиболее распространённый класс газовых лазеров, в к-рых для формирования активной среды используются электрич. разряды в газах. При переходе к давлениям газа порядка атмосферного и выше (необходимого для повышения мощности газоразрядного лазера) появляющиеся неустойчивости разряда делают активную среду неоднородной и непригодной для возбуждения генерации. Для повышения устойчивости разряда используют предионизацию разрядного объёма пучком заряж. частиц, вспомогат. разрядом, коротковолновым (оптич. или рентг.) излучением. В газоразрядном лазере высокого давления часто применяют поперечный разряд обычно с предионизацией (ТЕА-лазеры, от англ. transverse excitation atmospheric).

Газоразрядные лазеры на атомных переходах Возбуждение электронным ударом позволяет получать непрерывную и импульсную генерацию на большом числе квантовых переходов разл. атомов в видимой части спектра (в основном атомов инертных газов) и гл. обр. в ИК-области. Прямым электронным ударом наиб. эффективно возбуждаются уровни, связанные с осн. состоянием атома разрешёнными переходами. Непрерывная инверсия населённости рабочих уровней в трёхуровневой системе в большинстве случаев образуется за счёт опустошения (распада) нижнего рабочего уровня спонтанным излучением (см. Лазер ). Мощность и кпд газоразрядного лазера этого типа невелики, но они просты в изготовлении и эксплуатации. Для их возбуждения используют тлеющий разряд или высокочастотный разряд. На ряде линий достигается высокий коэф. усиления (напр., ~1 см-1 на 1119920-30.jpg=3,51 мкм). Пример - газоразрядный лазер на переходах атома Xe.

1119920-31.jpg

Рис. 1. Схема уровней атома Cu, участвующих в генерации.

В импульсном режиме наиб. практич. интерес представляет генерация на т. н. самоограниченных переходах, ниж. уровни к-рых метастабильны. Длительность существования инверсии населённости на таких переходах ограничена накоплением частиц на ниж. уровне; она не больше времени жизни частиц на верхнем рабочем уровне (рис. 1; обозначения уровней см. в ст. Атомные спектры). Наиб. мощность и эффективность генерации достигнута на переходах с первого резонансного уровня, т. к. он наиб. эффективно заселяется электронами. На самоограниченных переходах ряда атомов (Cu, Ba, Mn, Pb, Au, Eu и др.) получена генерация со ср. мощностью >1 Вт при относительно высоком кпд 0,1-1%. Эти газоразрядные лазеры обычно работают с высокой частотой повторения импульсов (5-20 кГц) и обладают высоким усилением. Наилучшие характеристики имеют газоразрядные лазеры на парах Cu (1119920-32.jpg=510,6; 578,2 нм), ср. мощность генерации к-рых приближается к 100 Вт при кпд ~1%.

Передача возбуждения от долгоживущих частиц.

В нек-рых газоразрядных лазерах в образовании инверсии населённостей помимо электронного удара важную роль играет процесс резонансной передачи энергии от долгоживущих метастабильных атомов (донорный газ). В частности, в первом и наиб. распространённом газоразрядном лазере [А. Джаван (A. Javan), У. Беннетт (W. Bennett) и Д. Херриотт (D. Herriott), 1961] происходит передача возбуждения от атомов Не атомам Ne, в результате чего селективно заселяются нек-рые уровни Ne (рис. 2). Генерация может быть получена на большом числе переходов, стрелками показаны используемые обычно переходы. Ниж. уровни этих переходов достаточно быстро опустошаются спонтанным излучением, что обеспечивает генерацию в непрерывном режиме.

1119920-33.jpg


Для возбуждения Не-Ne-лазера используют тлеющий разряд. Усиление - лишь неск. % за 1 проход, и генерация возникает только при применении зеркал с малыми потерями (см. Оптический резонатор). Мощность излучения Не - Ne-лазера варьируется от 1 до 100 мВт, его кпд 1119920-34.jpg0,1%. Однако, он прост и технологичен; особенно широко используется "красный" переход (1119920-35.jpg=632,8 нм).

Ионные газоразрядные лазеры

Непрерывная и импульсная генерация на большом числе переходов (неск. сотен линий в видимой и УФ-областях спектра) получена возбуждением электронами атомарных ионов разл. кратности. Наиб. распространены непрерывные лазеры, генерирующие на переходах ионов инертных газов. Непрерывный Аr+-лазер генерирует на 10 линиях в сине-зелёной области спектра в диапазоне 454,5-528,7 нм. Заселение верхних рабочих уровней в нём осуществляется ступенчатым возбуждением электронами через основное и метастабильные состояния иона, а также каскадами (неск. последоват. переходов) с более высоких уровней. Нижние рабочие уровни быстро опустошаются спонтанным излучением. В пром. Аr+-лазерах достигаются мощности генерации 1-40 Вт (в лаб. образцах - до 500 Вт) при кпд ~0,1%. Для возбуждения Аr+-лазера применяется сильноточный разряд в узких трубках с плотностями тока порядка сотен А/см2. Разрядные трубки (из керамики на основе BeO, графитовых шайб или из покрытых слоем Al2O3 шайб, интенсивно охлаждаемых проточной водой) наполняются Ar до давления в неск. десятых мм рт. ст. Обычно они помещаются в соленоид, создающий продольное магн поле ~1 кГс. Непрерывный ионный Кr+-лазер аналогичен, но обладает несколько худшими характеристиками генерации и генерирует в диапазоне 468-752,5 нм.

Для многих газоразрядных лазеров, генерирующих на переходах атомных ионов, существ. роль в образовании инверсии играют два процесса - перезарядка 1119920-36.jpg и т. н. процесс Пеннинга 1119920-37.jpg , в к-рых возбуждённые состояния иона 1119920-38.jpg образуются за счёт передачи энергии от иона А+ или метастабильного атома 1119920-39.jpg (обычно иона или метастабильного атома инертного буферного газа, чаще всего Не или Ne). Перезарядка - резонансный процесс, т. е. имеет заметную эффективность только тогда, когда разность энергий начального и конечного состояний частиц мала (1119920-40.jpg~0,1-1,0 эВ), что приводит к селективному заселению одного или нескольких близких уровней иона B+ . Процесс Пеннинга не приводит к селективному заселению уровней, стационарная инверсия в этом случае образуется за счёт быстрого опустошения ниж. уровня. За счёт перезарядки с ионом He+ инверсия образуется на переходах: Hg+, Cd+, Zn+, Se+ , Te+, J+, Tl+, As+, Cu+, Ag+, Au+, Be+; за счёт перезарядки с Ne+-на ионаx Tl+ , Mg+, Be+ , Te+ , Ga+, Sn+, Pb+, Cu+, Ag+, Al+ ; перезарядки с Kr+-на ионах Ca+ и Sr+.Возбуждение процессом Пеннинга приводит к генерации на переходах ионов Cd+, Zn+, Mn+, Sn+ , Cu+. Иногда действуют оба процесса, а также возбуждение электронами и в результате каскадных переходов с уровней, заселяемых указанными процессами. Относит. вклад разных процессов зависит от условий разряда.

1119920-41.jpg

Рис. 3. Схема уровней Не и Cd. Возбуждение уровней Cd+ 1119920-42.jpg происходят перезарядкой с He+; возбуждение уровней , -процессом Пеннинга от метастабильного 1119920-43.jpg уровня 1119920-44.jpg.

Наиб. распространённый лазер этого типа - Не-Cd-лазер. Линии с 1119920-45.jpg=441,6 нм и 325,0 нм возбуждаются процессом Пеннинга, все остальные - перезарядкой с ионом He+ или каскадами переходов с уровней, заселяемых перезарядкой (рис. 3). Не-Cd-лазеры ср. размеров позволяют получить мощность генерации в непрерывном режиме ~10-50 мВт на линии 1119920-46.jpg 141,6 нм при кпд ~0,1% и неск. мВт на линии 1119920-47.jpg325,0 нм. Близкими характеристиками обладает Не - Se-лазер, генерирующий на мн. линиях гл. обр. в зелёной области спектра.

Для возбуждения ионных лазеров этого типа обычно используют тлеющий разряд, пары металла вводят с помощью катофореза. Часто используют также разряд в полом катоде и поперечный ВЧ-разряд. При этом хорошо заселяются уровни, возбуждаемые перезарядкой.

Рекомбинационные лазеры. Инверсия образуется в в процессе рекомбинации ионов и электронов. В этом процессе уровни атомов или ионов заселяются не "снизу", а "сверху". Генерация возникает во время послесвечения импульсного разряда, когда происходит интенсивная рекомбинация. Рекомбинац. лазеры реализованы на мн. переходах атомов и атомарных ионов в УФ-, видимой и ИК-области спектра. Наилучшие характеристики генерации получены на линиях иона Sr+ (1119920-48.jpg=430,5 и 416,2 нм) и Ca+ (1119920-49.jpg=373,7, 370,6 нм). Скорость рекомбинации резко растёт с уменьшением энергии (охлаждением) электронов. Для ускорения охлаждения в разряд вводят легкий буферный газ Не при давлении 200-600 мм рт. ст. На линиях Sr+ получена генерация со ср. мощностью до 2 Вт при кпд ~0,1%. Предполагается, что с помощью рекомбинац. лазеров удастся получить генерацию в КВ-области спектра вплоть до рентгеновской.

Молекулярные лазеры

Электронные переходы молекул. Вероятность возбуждения электронных состояний молекул электронным ударом того же порядка, что и для возбуждения уровней атомов. Однако из-за наличия колебат. и вращат. возбуждений электронные уровни молекул расщепляются на большое число подуровней. При возбуждении в разряде инверсия населённостей распределяется по большому числу переходов, в связи с чем на электронных молекулярных переходах труднее получить большое усиление. Эта трудность увеличивается при переходе от простых и лёгких молекул к более сложным и тяжёлым, а также с увеличением температуры.

Однако прямое электронное возбуждение позволило получить генерацию на электронных переходах молекул N2, H2, D2, HD, СО, NO. Наиб. распространён N2-лазер. Прямым электронным ударом наиб. эффективно возбуждаются уровни, удовлетворяющие Франка - Кондона принципу. На рис. 4 этот переход показан широкой стрелкой (обозначения уровней см. в ст. Молекула, Молекулярные спектры). Генерация происходит на переходах, отмеченных стрелками вниз. Широкое распространение получил УФ-лазер на N2, генерирующий на многих переходах вращат. спектра 2+ системы полос азота, напр. 1119920-51.jpg (1119920-52.jpg=0 1119920-53.jpg=0) (1119920-54.jpg=337,1 нм; 1119920-55.jpg - колеоат. квантовые числа верхнего и нижнего колебат. уровней). Лазер возбуждается, как правило, в поперечном разряде и имеет пиковую мощность ~1 мВт при кпд до 0,1% и длительности импульса в неск. нс.

1119920-50.jpg

Рис. 4. Кривые потенциальной энергии молекулы N2, r - расстояние между ядрами.


Генерация получена и на др. электронных переходах N2 видимой и ближней ИК-области спектра, а также на переходах СО в видимой и УФ-области спектра, на переходах H2, D2 и HD в ближней ИК- и УФ-области спектра, на молекуле NO в ИК-области спектра. Мощности генерации на этих переходах значительно меньше, чем УФ-лазера на N2.

Мощная генерация получена в смеси N2+Ar в поперечном разряде высокого давления. В этом случае накачка верхних рабочих уровней молекулы N2 происходит за счёт процесса передачи энергии от метастабильных атомов Ar. Наиб. мощность получается на переходе 1119920-56.jpg (1119920-57.jpg=0 ->1119920-58.jpg=1), 1119920-59.jpg=357,7 нм. В смеси N2+He при высоких давлениях получена генерация на переходах 1119920-60.jpg молекулярного иона N2+. Это пока единств. случай генерации на электронных переходах молекулярного иона. Наиб. интенсивна генерация с 1119920-61.jpg=427,8 нм. Осн. механизм накачки верхних лазерных уровней - перезарядка на ионе He+.

Эксимерные и эксиплексные лазеры генерируют на электронных переходах молекул, существующих в виде прочных соединений только в возбуждённых состояниях и распадающихся или слабо связанных в осн. состоянии (такие молекулы, состоящие из одинаковых атомов или атомных групп, напр. Xe2, Kr2, Ar2, наз. эксимерами, а из разл. атомов XeF, KrF и др.- эксиплексами). Часто все лазеры этого типа наз. эксимерными. Для этих газоразрядных лазеров характерны сложные процессы заселения верхних рабочих состояний, включающие обычно столкновит. и хим. процессы, приводящие к эффективной передаче энергии от ионов и возбуждённых атомов буферного и рабочего газа на верхние рабочие уровни эксимерной (эксиплексной) молекулы, к-рые затем распадаются с излучением. Эффективность преобразования энергии в эксиплексное излучение для мн. молекул ~10%. Нижние рабочие состояния лазерного перехода - "отталкивательные" или слабо связанные, скорость их распада велика, в результате чего на таких переходах легко образуется инверсия населённостей (см. Эксимерный лазер).

Ггазоразрядные лазеры на колебательных переходах молекул - наиб. мощные и эффективные. Они генерируют в ср. ИК-диапазоне. Наиб. распространённый - лазер на CO2. В обычных условиях генерация получается на переходах с уровня 0001 на уровни 1000 и 0200 (рис. 5), что соответствует двум полосам с длинами волн 10,4 мкм и 9,4 мкм. В каждой полосе генерация может быть получена на мн. переходах вращат. спектра. Накачка на верхний рабочий уровень в основном осуществляется столкновит. передачей энергии от колебат. возбуждённой молекулы N2, находящейся на первом колебат. уровне v=l, энергия к-рого близка к энергии уровня 0001 молекулы СО2. Нижние рабочие уровни быстро опустошаются.

1119920-62.jpg

Рис. 5. Схема нижних колебательных уровней молекул CO2 и N2, участвующих в генерации СО2-лазера; 0001, 0200, 0110 обозначают колебательные квантовые числа (верхний индекс - степень вырождения деформационных колебаний).


Удобное расположение рабочих уровней и благоприятные характеристики рабочих переходов позволяют получать на переходах молекулы CO2 эффективную генерацию с помощью мн. способов накачки. Больше всего распространены непрерывный СО2-лазер и импульсные TEA СО2-лазеры. Непрерывные лазеры обычно возбуждаются в продольных трубках тлеющего разряда, наполненных смесью CO2+N2+Не (в соотношении ~1:2:5, Не способствует понижению температуры газа). С разрядной трубкой длиной 1 м можно получать непрерывную генерацию мощностью в десятки Вт при кпд ~10%. Дальнейшее повышение мощности ограничено нагревом активной среды в разряде. Для получения большей мощности (до неск. кВт) применяют разрядные трубки большой длины или неск. разрядных трубок, а также быструю прокачку рабочей смеси.

Для возбуждения СО2-лазеров используются несамостоят. разряды, в частности с предионизацией пучком быстрых электронов (электроионизац. лазеры). Это позволяет значительно увеличить давление рабочей смеси и получать большие уд. энергосъёмы. Кроме того, в несамостоят. разрядах ср. энергия электронов ниже, что повышает эффективность возбуждения колебат. уровней. С импульсными электроионизац. СО2-лазерами получают энергию генерации в неск. кДж.

Возбуждение разрядом приводит также к генерации на колебат. переходах др. молекул, напр. N2O, CS2, OCS, но эти лазеры имеют значительно меньшую мощность генерации и не получили распространения.

Особое место среди газоразрядных лазеров на колебат. переходах молекул занимает СО-лазер, обладающий высокой мощностью генерации в непрерывном и импульсном режимах (сравнимую с мощностью генерации СО2-лазера) и кпд до 60%. СО-лазер генерирует на большом числе переходов, часто наблюдается каскадная генерация, когда ниж. уровень одного лазерного перехода является верх. уровнем след. лазерного перехода, и т.д. Инверсия населённости между колебат. уровнями СО образуется в процессе столкновит. релаксации в условиях, когда возбуждение колебат. состояний молекулы достаточно велико. Охлаждение газа способствует образованию инверсии и увеличивает мощность генерации.

Газоразрядные лазеры для далёкой ИК-области спектра генерируют в широкой области - вплоть до 1119920-63.jpg~1 мм на переходах молекул между колебат. и вращат. уровнями. Их представители - лазеры на молекулах H2O, D2O, HCN. Широкого распространения эти лазеры пока не получили.

Литература по газоразрядным лазерам

  1. Ельяшевич M. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, M., 1962;
  2. Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. A. M. Прохорова, т. 1, M., 1978;
  3. Гудзенко Л. И., Яковленко С. И., Плазменные лазеры, M., 1978;
  4. Beck R., Englisсh W., Gurs K., Table of laser lines in gases and vapors, 3 ed., В.- [a.p.], 1980;
  5. Willet C. S., Introduction to gas lasers: population inversion mechanisms, Oxf.- [a.o.], 1974;
  6. Карлов H. В., Лекции по квантовой электронике, M., 1983.

Г. Г. Петраш

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 03.12.2019 - 22:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Марины Мелиховой - Карим_Хайдаров.
03.12.2019 - 11:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 19:55: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 18:13: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.11.2019 - 08:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Декларация Академической Свободы - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:31: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:30: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:27: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
23.11.2019 - 12:17: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
19.11.2019 - 09:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
18.11.2019 - 19:10: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution