Лазерный гетеродинный деформограф на основе газовых лазеров
Принцип действия лазеров и его внутреннее устройство, анализ когерентности излучения. Классификация и разновидности газовых лазеров, их функциональные особенности и сферы применения. Принцип работы, а также конструкция основных блоков деформографов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | диссертация |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.05.2018 |
| Размер файла | 961,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
d?1=d?c/?2
где d?1 - ширина спектральной линии в частотной области, Гц, d? - ширина спектральной линии (0,000002 нм), ? - длина волны спектральной линии (633 нм), c - скорость света. Подставив все значения (в одной системе измерения), получим ширину линии 1,5 ГГц. Конечно, такую узкую линию можно считать вполне монохроматической по сравнению со всем спектром излучения неона, но назвать это когерентным излучением еще нельзя. Для получения когерентного излучения в лазере используется оптический резонатор (интерферометр) [21].
Тон биений
Тон биений (beatynote) - колебания оптической интенсивности, связанные с комбинацией двух световых волн с различными оптическими частотами.
Если два лазерных пучка с различной оптической частотой складываются на фотодетекторе, измеряющем оптическую интенсивность, то тон биений - т.е. сигнал с частотой, соответствующей разности оптических частот, как правило, можно наблюдать, если выполняются следующие условия[22]:
· Пространственное распределение этих двух световых полей не должно быть ортогональным. Эта проблема решается с помощью отсечения некоторой части пучков или просто с помощью неравномерностей поверхности детектора.
· Состояния поляризации также не должны быть ортогональным.
· Оптическая разность частот должна быть в пределах пропускной способности детектора.
· Очевидно, что длина волны должна быть в области чувствительности фотодетектора.
На рисунке показан результат наложения двух оптических колебаний с частотной разницей в 25 ТГц.
Детектор, который обладает достаточно быстрой интенсивностью, будет регистрировать колебания мощности, но только с различными частотами.
Поскольку быстрый фотоприемник может иметь пропускную способность в десятки гигагерц (или даже выше), оптические частоты такого порядка могут быть измерены, например, с помощью фотоприемника, которого на выходе электронный счетчик частоты или электронный анализатор спектра. Важным применением этого может являться частотная метрология. Например, частоту некоторых лазеров можно измерить по тону биения между лазером и оптическим сигналом с известной оптической частотой. Такие измерения значительно облегчаются с помощью оптической гребенки частот, которая может охватывать широкий круг четко определенных оптических частот, так что достаточно одной опорной частоты для измерения биения, по которому можно найти любую частоту в широком диапазоне.
Рассмотрены основные действующие части лазеров, состояния и процессы протекающие в активной среде газовых лазеров. Описаны особенности газов и их смесей, которые можно использовать для образования и разрушения возбужденных состояний.
Изложено строение системы накачки лазеров и приведены различные способы получения возбужденных состояний атомов и молекул активной среды, таких как: оптическая накачка, электронный удар, передача возбуждения посредством неупругих столкновений и передача возбуждения при диссоциации.
Описано строение оптического резонатора, являющегося одним из основных элементов лазеров, обеспечивающих обратную связь для взаимодействия лазерного излучения с активной средой. Приведены основные типы резонаторов, процессы, протекающие в них и условия устойчивости генерации лазерного излучения. Дается понятие поперечных и продольных мод резонаторов, их виды и спектральное распределение.
Также приведены спектр и энергетические уровни гелий-неонового лазера и колебания оптической интенсивности, связанные с комбинацией двух световых волн с различными оптическими частотами.
3. Классификация газовых лазеров
3.1 Лазеры на нейтральных атомах
Упрощенная схема рабочих уровней гелий-неонового лазера
Типичным представителем лазеров на нейтральных атомах является гелий-неоновый лазер. Это первый газовый лазер. Почти все производимые лазеры работают в одномодовом режиме в красной области спектра (л = 0,63 мкм). Выпускаются также многомодовые и одночастотные лазеры и лазеры, работающие на длинах волн л = 1,15 и 3,39 мкм. КПД этих лазеров 0,1-0,01%. Широкому распространению гелий-неоновых лазеров способствовало то, что длина волны генерации (л = 0,63 мкм) соответствует видимой области спектра, и сравнительно простая конструкция газоразрядной трубки.
Для анализа процесса в активной среде воспользуемся диаграммой нижних электрических состояний гелия и неона (рис. 6).
Гелий является буферным газом и служит для селективного заселения верхних рабочих уровней Ne за счет соударений второго рода. Сами атомы гелия возбуждаются электронным ударом. Возбужденные состояния гелия (21s0 и 23s0) являются метастабильными. Время жизни на этих уровнях имеет значение порядка 10-3 с. Возбужденные уровни гелия близки к уровням 2s и 3s неона. Присутствие в разряде метастабильных атомов гелия приводит к передаче возбуждения от метастабильных атомов гелия к атомам неона. Разница в энергиях уровней 23S0 гелия и 2s2 неона, а также между 21S0 гелия и 3s2 неонов составляет примерно 300 см-1. И хотя это несколько больше значения kT при комнатной температуре, тем не менее процесс передачи возбуждения идет весьма интенсивно. Таким образом, эффект передачи возбуждения в значительной мере является резонансным. В соответствии с правилами отбора разрешенными являются переходы в р-состояния. Время жизни s-состояний равно 100нc, что на порядок больше времени жизни р-состояний[6].
В данном случае выполняется условие для создания инверсии на переходах 2s> 2 р и 3s > 3 р, что соответствует работе лазера по четырехуровневой схеме. Было установлено, что этот процесс создания инверсии является доминирующим, хотя прямые столкновения электронов с атомами неона также участвуют в накачке. Следует также учитывать, что состояния 1s неона хорошо заселяются в разряде при некоторых условиях (большие токи разряда). Процесс ступенчатого возбуждения атомов из состояний 1s в состояния 2 р и 3 р может стать существенным. Этот процесс ведет к дополнительному подзаселению нижних рабочих состояний, а следовательно, к уменьшению инверсии и срыву генерации. Эти процессы можно представить следующим образом:
Схематическое изображение активного элемента гелий-неонового лазера (а) и излучателя коаксиальной конструкции (б)
Исторически первой была получена генерация на группе переходов 2s>2p. В настоящее время в промышленных лазерах используются три перехода, генерация в которых наблюдается примерно в одинаковых условиях разряда и которые характеризуются аналогичными зависимостями мощности генерации от параметров разряда.
Конструкция типичного элемента гелий-неонового лазера представляет собой капилляр с внутренним диаметром 1-2,5 мм, длиной 250-500 мм, изготовленный из термостойкого электровакуумного стекла с толщиной стенок 2-5 мм (рис. 7). К капилляру предъявляются требования прямолинейности (стрела прогиба не более 0,1 мм), жесткости, низкой проницаемости по гелию и высокие требования к допуску на внутренний диаметр[6].
В гелий-неоновых лазерах применяют холодные катоды, что позволяет иметь наработку более 10 000 ч. Активному элементу, показанному на рис. 7а, свойственна низкая механическая прочность. Поэтому все большее распространение получают трубки коаксиальной конструкции (рис. 7б). Такие трубки со встроенными зеркалами оптического резонатора фактически представляют собой лазерные излучатели. В этом случае несущей конструкцией резонатора и одновременно внешней колбой газоразрядной трубки является стеклянная трубка диаметром 30-40 мм. Такая конструкция излучателей позволяет механизировать процессы их изготовления.
Источники питания малогабаритных гелий-неоновых лазеров представляют собой маломощные высоковольтные выпрямители, рассчитанные на питание от сети переменного тока или переносных аккумуляторов. Кроме источника постоянного тока для возбуждения газовой смеси может быть использована СВЧ накачка[6].
3.2 Ионные лазеры
Ионные лазеры являются источником непрерывного когерентного излучения в основном в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Ионные лазеры на инертных газах имеют следующие основные особенности: рабочие уровни ионных переходов расположены достаточно высоко, а расстояние между ними на энергетической диаграмме больше, чем у атомных переходов, что обусловливает возможность получать лазерную генерацию в более коротковолновой области спектра; большая, как правило, по сравнению с атомными переходами вероятность ионных переходов и сравнительно высокие параметры насыщения позволяют получать высокую мощность излучения в непрерывном режиме.
В настоящее время в качестве активной среды ионных лазеров получили распространение такие инертные газы: аргон, криптон, ксенон, неон. Наиболее мощная генерация (несколько сотен ватт) получена в сине-зеленой области спектра (л= 488,8 мм, л = 514,5 мм) на ионах Аr2+, в желто-красной (568,2 нм, 647,1 нм) на ионах Kr2+, на УФ линиях Ne2+, Аr3+ и Kr3+. Но в основном применение имеют лазеры на аргоне[6].
Аргоновый лазер возбуждается дуговым разрядом; генерация наблюдается как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Он генерирует одновременно на нескольких длинах волн в диапазоне 454,5-514,5 нм, причем наибольшая интенсивность генерации соответствует линиям с л = 488 нм (голубая) и л = 514,5 нм (зеленая).
Рис. 8. Упрощенная схема энергетических уровней лазера на ионах аргона
Механизм создания инверсии в аргоновом лазере основан на заселении верхнего лазерного уровня благодаря двум последовательным столкновениям атома с электронами в электрическом разряде (рис. 8). Атомы аргона, соударяясь с электронами, ионизуются и переходят на основной уровень иона - первое столкновение. Далее ионы аргона, сталкиваясь с электронами, переходят на верхние лазерные уровни. Пусть плотность числа ионов аргона в основном состоянии - Ni, а плотность числа электронов - Ne. В целом плазма разряда электронейтральна, т.е. NiNe. При этом предположении скорость накачки верхних лазерных уровней на единицу объема за счет данного процесса будет
Зависимость мощности излучения аргонового лазера от плотности разрядного тока
В стационарном разряде плотность электронов пропорциональна плотности тока разряда: Ne ~ I. Следовательно, dN/dt ~ I2. Скорость накачки в стационарных условиях определяет мощность генерации.
В стационарном режиме населенность возбужденного состояния ионов в первом приближении равна
где х - средняя скорость хаотического движения электронов; уm - максимальное эффективное сечение возбуждения ионов электронами; ф - время жизни возбужденного состояния иона; ДЕ - разность энергий между возбужденным и основным состояниями иона; Те - электронная температура[6].
Основным параметром, во многом определяющим выходные характеристики ионных лазеров, является плотность разрядного тока. С ростом плотности тока мощность излучения растет приблизительно пропорционально кубу тока. При увеличении плотности тока скорость возрастания мощности снижается. В режимах, близких к рабочим, эта зависимость носит примерно квадратичный характер. При дальнейшем увеличении плотности тока (600-1000 А/см2) наблюдается насыщение и далее спад, вплоть до исчезновения генерации (рис. 9). Спад мощности обусловлен в основном девозбуждением электронами верхних лазерных уровней, пленением УФ резонансного излучения (л= 72 нм), 100% - ной ионизацией, вытеснением газа и др.
Схема лазера на аргоне
1 - окна под углом Брюстера; 2 - катод; 3 - система охлаждения; 4 - керамический капилляр; 5 - обмотка соленоида; 6 - анод; 7 - обводной канал
Из-за большой плотности тока в газоразрядной трубке происходит перекачка ионов Аr+ по направлению к катоду, что приводит к срыву генерации. Для компенсации этого эффекта в конструкции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа (рис. 10). 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 существенно 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, т.е. растет и КПД.
С увеличением напряженности магнитного поля концентрация заряженных частиц возрастает, а электронная температура уменьшается. Рост концентрации ионов приводит к увеличению инверсии, а снижение электронной температуры - к ее уменьшению. Поэтому зависимость мощности излучения от напряженности магнитного поля имеет экстремум. Оптимум напряженности поля лежит в интервале 2*104-105 А/м, а его конкретное значение зависит от плотности тока, диаметра капилляра, давления газа. Аналогичным образом зависит мощность излучения от давления наполняющего газа. Здесь оптимум лежит в диапазоне 40 - 80 Па. Он также зависит от параметров разряда.
Высокие плотности разрядного тока, выделяющаяся в разрядном капилляре большая тепловая мощность (сотни ватт с одного сантиметра длины), вытеснение, перекачка и поглощение газа обусловливают высокие требования к материалу трубки. В настоящее время они выполняются из кварца, окиси бериллия (ВеО), графита, анодированных алюминиевых секций, тугоплавких металлов. Первые трубки были с кварцевым разрядным каналом. Низкая теплопроводность кварца и обусловленные этим ограничения по плотности тока привели к необходимости использования более теплопроводных диэлектрических материалов. Практическое применение нашла электровакуумная керамика на основе окиси бериллия. Ее теплопроводность близка к теплопроводности алюминия, температура плавления 2700°С, напряжение пробоя 107 В/см; она хорошо спаивается с электровакуумным материалом; предельные токовые нагрузки составляют 800-1000 А/см2. Перспективными являются лазеры, использующие капилляры из вольфрамовых шайб. Такие капилляры обладают существенно большей прочностью, они в меньшей степени подвержены эрозии, в них практически отсутствует поглощение инертного газа.
Водяное охлаждение значительно осложняет эксплуатацию аргоновых лазеров, однако оно неизбежно при уровнях излучаемой мощности порядка 1 Вт и потребляемой мощности около 10 кВт. Если мощность излучения составляет 100-200 мВт, то возможно ограничиться принудительным воздушным охлаждением.
Высокая мощность излучения, повышенная энергия фотонов и возможность получения одночастотного режима обеспечили распространение ионных лазеров как мощных источников оптической накачки в голографии, спектроскопии комбинационного рассеяния, медико-биологических исследованиях, для подводной локации и телевидения, в системах аэрофоторазведки, лазерной технологии получения киноформных и дифракционных оптических элементов и т. П[6].
3.3 Молекулярные газоразрядные лазеры
Молекулярные лазеры - одна из наиболее перспективных и бурно развивающихся групп газоразрядных лазеров, что в основном обусловлено высоким КПД и большой мощностью в непрерывном режиме.
Основные особенности молекулярной активной среды. Полная энергия молекулы представляет собой сумму следующих четырех компонент: 1) электронной энергии, обусловленной движением электронов вокруг ядер; 2) колебательной энергии, связанной с движением ядер; 3) вращательной энергии, обусловленной вращением молекулы; 4) трансляционной энергии.
Наиболее типичным представителем молекулярных лазеров является лазер на углекислом газе (CO2). Большое распространение имеет также лазер на СО. Основная длина волны излучения лазера на CO2 лежит в области 10,6 мкм, а лазера на СО - в области 5-5,4 мкм. Распространению этих лазеров способствовал также тот факт, что области их длин волн генерации слабо поглощаются атмосферой. Основной отличительной особенностью молекулярных лазеров, по сравнению с атомарными и ионными, является использование колебательно-вращательных переходов молекул. Энергетические уровни, соответствующие этим переходам, в отличие от электронных переходов расположены значительно ниже по отношению к основному уровню и гораздо чаще, а кроме того, расстояния между отдельными колебательными уровнями эквидистантны[6].
Схема рабочих уровней лазера на CO2 (вверху показано движение атомов, отвечающее трем основным типам колебаний линейной молекулы CO2)
Рассмотрим механизм действия лазера на CO2. Молекула CO2 линейно-симметрична по конфигурации и имеет три типа разрешенных колебаний: симметричные, деформационные и асимметричные (рис. 11). Колебательные состояния молекулы CO2 обозначаются набором трех колебательных квантовых чисел: х1, х2, х3. Эти числа равны кратности возбуждения соответственно симметричных, деформационных и асимметричных колебаний молекулы, а l указывает на поляризацию деформационного колебания. Например, колебательное состояние (00°1) (х1 = 0, х2 = 0, х3 = 1) соответствует состоянию однократно возбужденного асимметричного колебания (симметричные и деформационные колебания не возбуждены). Каждый из колебательных уровней молекулы состоит, в свою очередь, из совокупности близко расположенных вращательных подуровней, соответствующих вращению ядер молекулы и характеризуемых изменением углового момента. В соответствии со сложной структурой уровней спектр излучения молекул весьма сложен и состоит из отдельных колебательно-вращательных полос, разделенных интервалами, соответствующими переходам электронов. Если учесть это, то ясно, что излучение происходит за счет переходов между вращательными уровнями верхнего колебательного состояния и низко расположенного колебательного состояния. Какой-либо переход между колебательными уровнями при отсутствии вращения должен был бы давать только одну частоту щ0 (рис. 12). Но на самом деле такой переход состоит из двух наборов линий. Набор, соответствующий более низким частотам, называется Р-ветвью. Другой набор, соответствующий более высоким частотам, называется R-ветвью[6].
Инверсия населенности может быть получена как в чистом CO2, так и в смеси газов.
Накачка верхнего лазерного уровня 00°1 в чистом CO2 происходит при соударении молекулы в основном состоянии 00°0 с электроном, т.е. прямым электронным ударом. Электроны в разряде возбуждают и более высоко расположенные уровни - 00°2, 00°3 и т.д. В результате неупругих соударений молекул в этих состояниях с невозбужденными молекулами происходит понижение энергии возбужденных молекул с соответствующим переходом молекул в состоянии 00°0 на верхний колебательный уровень.
Переходы между двумя колебательными уровнями с учетом вращательной структуры
Для увеличения инверсии и эффективности преобразования энергии электронов в энергию лазера к углекислому газу добавляют азот и гелий. Колебательные уровни азота почти совпадают с колебательными уровнями CO2 асимметричного типа колебаний, поэтому молекулы азота на верхних колебательных уровнях передают свою энергию молекуле CO2 практически без потерь. Колебательные уровни дипольной молекулы азота являются метастабильными. Время жизни этих уровней достигает нескольких секунд. Разряд в азоте приводит к возбуждению почти 30% всех молекул в разряде. Эффективность использования электронов в разряде смеси СО2->N2 чрезвычайно высока и достигает 70 - 80%. КПД такого лазера ограничивается практически только квантовой эффективностью лазерного перехода, которая для уровня 00°1 достигает 45%. Генерация лазера осуществляется либо на переходе 00°1 -> 10°0, либо на переходе 00°1 -> 02°0. Но так как первый из этих переходов обладает большим усилением и оба перехода имеют один и тот же верхний уровень, то генерация обычно происходит на переходе 00° 1-10°0 (л=10,6 мкм). Для получения генерации на линии 9,6 мкм или на другой вращательной линии внутрь резонатора помещают частотный селектор, чтобы подавить генерацию на линии с наибольшим усилением.
Релаксация нижних лазерных уровней происходит через резонансное соударение молекул CO2 в состоянии 10°0 с невозбужденными молекулами в состоянии 00°0 с образованием двух молекул в состояниях 01°0. Из этого состояния молекулы переходят вниз.
Существенную роль в процессах возбуждения и релаксации играет гелий. Гелий, как газ с высоким потенциалом ионизации, повышает электронную температуру, а с другой стороны, способствует распаду нижних уровней 10°0 и 01°0 в результате неупругих соударений. Релаксации нижних уровней способствуют также соударения с парами воды и другими молекулами, как добавляемыми специально в лазеры на CO2, так и образующимися в разряде. Из-за малого расстояния между основным (00°0) и нижним (01°0) лазерными уровнями рабочую смесь в молекулярных лазерах необходимо охлаждать. Предельная температура рабочего газа не должна превышать 700-800 К, а следовательно, отводимая и вводимая в разряд мощности оказываются строго ограниченными условиями теплоотвода. А это, в свою очередь, приводит к ограничению мощности излучения, снимаемой с единицы разрядной трубки. Охлаждение смеси происходит в основном из-за диффузии возбужденных молекул в направлении к стенкам трубки; следовательно, существенное увеличение диаметра активной среды для молекулярного лазера неприемлемо из-за перегрева рабочей смеси. В лазерах на CO2 могут использоваться активные среды диаметром до 10 см и длиной до 100 м. Газовый разряд в молекулярных лазерах подчиняется в основном правилам подобия. Оптимальные условия определены лишь для отпаянных активных элементов, в которых используется обычный тлеющий разряд. Оптимальное произведение составляет 530 Па-см (р - парциальное давление CO2).
Конструктивно лазеры на СO2 можно разделить на три типа: с отпаянной трубкой; с медленной прокачкой (скорость газового потока порядка 1 м/с); с быстрой прокачкой (скорость потока около 30 м/с) [5].
Отпаянные разрядные трубки лазеров на CO2 являются наиболее распространенными благодаря сравнительно небольшим габаритным размерам, отсутствию системы прокачки и простоте обслуживания. В качестве оптических элементов обычно используются германий и арсенид галлия. Долговечность отпаянных трубок определяется в основном скоростью разложения углекислого газа.
В отпаянных трубках с метра длины получают 20-30 Вт/м; прокачка рабочей смеси дает возможность повысить удельную линейную мощность в два-три раза (до 50-70 Вт/м) и получить практически неограниченный срок службы[6].
Лазеры с медленной прокачкой нашли применение в технологических установках, где стоимость баллонов с запасами рабочих газов и насоса по отношению к стоимости всей установки сравнительно невелика. Для сокращения длины излучателя в прокачных лазерах широко применяют «свернутый» резонатор в сочетании с многомодульной конструкцией. Мощность их излучения доходит до нескольких сотен ватт.
В лазерах с быстрой прокачкой поток газа направляют поперек оси резонатора. При быстрой прокачке практически невозможно работать по открытому циклу, как это имеет место при медленной прокачке, поскольку рабочая смесь с дефицитным гелием будет выбрасываться в атмосферу и загрязнять окружающую среду. Поэтому лазеры с быстрой прокачкой работают по замкнутому циклу (рис. 13). В схему прокачки включают теплообменник и компрессор. В таком лазере удалось получить выходную мощность около 1 кВт с метра длины.
Схематическое изображение лазера на СO2 с быстрой поперечной прокачкой: 1-вентилятор (компрессор); 2 - область разряда; 3 - теплообменник
В настоящее время созданы лазеры на CO2 с мощностью излучения до 100 кВт, но наиболее целесообразны с экономической точки зрения лазеры с мощностью 1-10 кВт. При мощностях выше 10 кВт более высокие показатели имеют лазеры с комбинированной накачкой, а при мощностях ниже 1 кВт целесообразно использовать лазеры с медленной прокачкой и свернутым резонатором.
Лазеры на CO2 используются в качестве источника когерентного излучения сравнительно небольшой мощности в системах точных измерений, передачи информации, тонкой технологии, в медицине, в качестве источника мощного излучения в технологических установках для сварки, резки металлов, лазерного разделения изотопов, как источник оптической накачки лазеров далекого ИК диапазона и т.д. [6].
3.4 Газодинамические лазеры
Газодинамические лазеры - это лазеры, в которых источником излучения служит тепловая энергия молекулярного газа, нагретого до высокой температуры. Усиливающая среда в этом типе лазеров образуется за счет процессов тепловой релаксации молекул во время истечения газа через сверхзвуковое сопло. Движение усиливающей среды через оптический резонатор происходит со сверхзвуковой скоростью. В лазерах этого типа впервые реализован принцип прямого преобразования тепловой энергии в энергию когерентного излучения. Тепловая энергия равно распределена по всем степеням свободы молекул, в том числе и по колебательным степеням свободы. Существенным моментом для создания инверсии является тот факт, что различные колебательные моды многоатомных молекул могут релаксировать с различной скоростью[5].
Газодинамический метод создания инверсии получил основное развитие применительно к лазерам на CO2. Газовая среда газодинамических лазеров представляет собой трехкомпонентную газовую смесь, наибольшую концентрацию в которой составляет азот (80-90%), имеющий большое время колебательной релаксации. Благодаря свойству его молекул длительное время сохранять колебательное возбуждение потери колебательно-возбужденных молекул за время движения газа от камеры сгорания до оптического резонатора незначительны. Энергия колебательного движения молекул азота и явлется тем самым источником, откуда берется энергия для генерации[6].
Молекула CO2 обладает коротким временем колебательной релаксации. Это приводит к тому, что населенность ее колебательных уровней на всем пути от камеры сгорания до оптического резонатора близка к равновесной населенности, соответствующей температуре текущего газа. Последнее справедливо для всех уровней, кроме уровня (00° 1), населенность которого поддерживается почти неизменной за счет столкновений с возбужденными молекулами азота. Нижний лазерный уровень (10°0) расположен достаточно высоко над основным состоянием и при температуре сверхзвукового потока (Т = 280-320 К) населен слабо. Таким образом, в истекающем газе существует состояние инверсной населенности для молекул CO2.
Третий компонент (пары воды, составляющие 1-2%) представляет собой молекулярный газ с еще более коротким временем колебательной релаксации. Его назначение - сократить время перехода молекул CO2 в основное состояние. За время нахождения газовой смеси в поле излучения внутри оптического резонатора каждая молекула CO2 совершает от двух до четырех полных циклов. Под циклом понимают переход из основного состояния на уровень (00° 1) при столкновении с возбужденной молекулой азота, затем излучательный переход и релаксацию в основное состояние.
Сверхзвуковое сопло в газодинамическом лазере выполняет сразу две функции: 1) создает усиливающую лазерную среду; 2) формирует газовый поток со скоростью движения около 1,5 км/с.
Сверхзвуковое расширение должно понижать температуру и давление газовой смеси за время, короткое по сравнению с временем жизни верхнего лазерного уровня и длительное по сравнению с временем жизни нижнего лазерного уровня. Для этого расширение газа должно быть осуществлено при истечении через сверхзвуковое сопло с малой высотой критического сечения (0,3- 1 мм). В этом случае газовая смесь меняет свои параметры на отрезке длиной 1-2 см по потоку[5].
Молекулы азота, проходя через сопло, теряют незначительную часть колебательных квантов, а молекулы CO2, наоборот, теряют практически всю энергию, за исключением той ее части, которая связана с населенностью уровня (00°1). Населенность колебательных уровней молекул воды из-за короткого времени релаксации всегда термически равновесна и соответствует температуре текущего газа.
Зависимость населенности верхнего и нижнего возбужденных уровней от расстояния до сопла
На рис. 14 показано, как изменяется населенность верхнего и нижнего возбужденных уровней по мере того, как объём газа проходит через сверхзвуковое сопло. Из рисунка следует, что наибольшие потери колебательно-возбужденных молекул азота происходят вблизи критического сечения[6].
В реальных условиях КПД газодинамических лазеров составляет единицы процентов, так как данный тип лазера является своего рода тепловой машиной. Его КПД определяется температурами рабочего тела - высокой и низкой. Поднимать слишком высоко высокую температуру нельзя из-за диссоциации CO2, а слишком низкую нельзя использовать из-за опасности конденсации CO2. Основным достоинством газодинамических лазеров является их высокая выходная мощность в непрерывном режиме работы, достигающая мегаваттного диапазона, что обусловлено прохождением через резонатор лазера большого количества возбужденных молекул в единицу времени.
Выходную мощность лазера можно представить следующим образом:
где Q - расход газа, число молекул/с; hх = 2*10-20 Дж; ч = 0,8 - содержание азота в смеси; m =8,1% - число колебательных квантов, приходящихся в среднем на одну молекулу N2; цn= 0,5 - эффективность сопла (учитывает потери колебательных квантов при истечении через сопло); цr = 0,5 - эффективность резонатора (энергия, переводимая резонатором в полезное излучение). При расходе 10 Kr/с Q = 2-1026 мол./с, выходная мощность Р - 60 кВт.
Схема газодинамического лазера
1 - камера сгорания; 2 - за-пальное устройство; 3 - сверх-звуковое сопло; 4 - поток отрабо-танного газа; 5 - зеркала резонатора
К недостаткам газодинамических лазеров следует отнести их большие габаритные размеры, потребление большого количества горючего, сильный шум при работе. Для устранения одного из недостатков, связанных с тепловой накачкой, было предложено возбуждать молекулы азота с помощью электрического разряда, что приводит к уменьшению габаритных размеров конструкции и увеличению КПД. Молекулы азота возбуждаются в сильном электрическом поле, создаваемом электрическим разрядом в пространстве между электродами (рис. 16). В буферной камере нагретый азот смешивается с дополнительным потоком азота, имеющим комнатную температуру, при этом устанавливаются заданные температура и давление. Затем происходят быстрое сжатие, перемещение с высокой скоростью и расширение за соплом нагретого азота. Сюда же под давлением вводится смесь холодного СО2 и Не. Газы перемешиваются, что вызывает передачу возбуждения от молекул азота к молекулам CO2. Дальнейшего увеличения КПД можно достичь при создании газодинамического лазера с замкнутым циклом[6].
Схема электродинамического лазера
1 - электроды; 2 - буферная камера; 3 - сверхзвуковое сопло; 4 - поток отработанного газа; 5 - зеркала резонатора
3.5 Лазеры с химическим возбуждением
Химическим называется такой лазер, в котором энергия излучения получается за счет неравновесного распределения химической энергии среди продуктов реакции. Основная задача, которая ставилась при создании химических лазеров, заключалась в поиске пути прямого преобразования энергии, выделяющейся в процессе химической реакции, в энергию когерентного излучения, минуя другие формы, что позволило надеяться на получение автономного источника, излучения.
Практический интерес к проблеме создания химического лазера объясняется тем, что в процессе многих экзотермических химических реакций (т.е. реакций, протекающих с выделением тепла) выделяется значительная энергия (до 2000 Дж/л) на единицу массы прореагировавшего вещества.
Одним из достоинств химических лазеров является богатый спектр генерируемых длин волн: от 1,3 до 26 мкм. Излучение некоторых длин волн из указанного диапазона не удается получить с помощью других типов лазеров. Спектральный диапазон когерентного излучения, генерируемого химическими лазерами, лежит в области колебательных частот многих молекул, что дает возможность использовать химические лазеры для нетеплового стимулирования химических реакций путем резонансного воздействия на определенные колебательные степени свободы молекул[5].
Наиболее естественным аккумулятором энергии, выделяющейся в результате химической реакции, являются колебательные степени свободы образующихся молекул. Поэтому генерация излучения в химических лазерах осуществляется главным образом на колебательно-вращательных переходах. Для получения молекул в возбужденных колебательных состояниях наиболее часто используются реакции замещения, примерами которых служат следующие реакции:
В химических лазерах используются в основном цепные и самоподдерживающиеся химические процессы. В цепных процессах каждый химически активный центр (атом или радикал) воспроизводится в процессе реакции. Это позволяет с помощью относительно небольшого количества химически активных центров путем многократного их использования «перерабатывать» в излучение в химическом лазере значительный запас химической энергии, содержащейся в смеси, что и дает принципиальную возможность покрыть и даже перекрыть затраты энергии на создание радикалов. Примером цепной реакции является следующий процесс:
В результате этого за счет энергии, выделяющейся в процессе реакции, молекулы HF* оказываются возбужденными. Эти молекулы и служат источником лазерного излучения. Реальная цепь не бесконечна, так как активные центры существуют конечное время. Поэтому вводят понятие длины цепи vXHM как отношение общего числа наработанных молекул к исходному числу химически активных центров. Но на практике эффективность химического лазера, работающего на основе цепной реакции, определяется не химической, а так называемой лазерной длиной цепи. Лазерная длина цепи равна отношению скорости наработки возбужденных молекул (HF*) к скорости гибели инверсной населенности в результате релаксации[6].
С кинетической точки зрения можно выделить две группы лазерных систем на основе химической накачки: 1) лазеры с прямым образованием инверсии населенностей в результате химической реакции; 2) лазеры с созданием инверсии населенностей путем передачи энергии от молекул, возбуждаемых химической реакцией, к молекулам, образующим лазерную среду.
Решающим фактором при создании инверсии в первом случае является соотношение между скоростью химической реакции и скоростями релаксации уровней. Для достижения пороговой плотности инверсии необходимо, чтобы скорость накачки на верхний рабочий уровень превосходила скорость заселения нижнего уровня.
Во втором случае образование инверсии населенностей происходит за счет резонансной передачи энергии возбуждения невозбужденным многоатомным молекулам, которые затем высвечиваются в резонаторе. Для образования инверсии в этом случае не требуется инверсии заселенности энергетических уровней возбужденных молекул, образующихся в результате химической реакции. Необходимо лишь, чтобы эффективная температура колебательных степеней свободы исходных молекул была выше температуры рабочей молекулы.
По режиму работы химические лазеры делятся на лазеры импульсного и непрерывного действия. Они имеют общую химикокинетическую основу.
Импульсный химический лазер состоит из следующих основных узлов: реактора, где протекает химическая реакция с образованием активной среды; оптического резонатора; системы инициирования реакции; системы приготовления и напуска смеси реагентов в реактор; системы удаления отработанных продуктов[6].
Для получения непрерывного режима генерации в химическом лазере необходимо обеспечить достаточно быструю смену реагентов в реакторе и решить проблему получения химически активных центров в непрерывном режиме.
В основу «чисто химического» DF-CO3 лазера может быть положена реакция дейтерия с фтором с последующей передачей возбуждения на CO2. Для поджига реакции в качестве вспомогательного реагента применяется окись азота, которая при взаимодействии с молекулой фтора образует атомарный фтор, служащий активным центром, инициирующим лазерохимическую цепь:
Схема химического лазера непрерывного действия с тепловым инициированием
1 - камера нагревания теплоносителя; 2 - камера для смешивания химического реагента с теплоносителем; 3 - сверхзвуковой поток; 4 - зеркала резонатора
Общая скорость потока смеси в резонаторе близка к скорости звука, но не превышает ее.
Для получения больших скоростей потоков истечения необходимо нагреть газ до высоких температур, что одновременно позволяет осуществлять тепловую диссоциацию молекул, т.е. тепловое, инициирование химической реакции. Струя теплоносителя в смеси с химически активными центрами выпускается через сопловой блок, приобретая сверхзвуковую скорость. Примером лазера с тепловым инициированием является лазер, в котором используется следующая реакция (рис. 17):
Лазер состоит из камеры, в которой с помощью дугового разряда происходят разогрев молекулярного азота, второй камеры, где происходят смешивание разогретого до температуры 2500°С азота с гексафторидом серы и диссоциация последнего в результате передачи тепловой энергии от азота, сопровождающаяся образованием атомарного фтора. Полученная смесь продувается через сопло со сверхзвуковой скоростью. На выходе соплового блока в поток добавляют молекулярный водород, что ведет к инициированию реакции, сопровождающейся появлением возбужденных молекул фтористого водорода HF*. Возбуждение молекул фтористого водорода обусловлено экзотермическим характером протекающей реакции, в ходе которой выделяется энергия, равная. 134,4 Дж/моль.
Процесс смешения реагентов в химическом лазере непрерывного действия - это и особенность, которую необходимо учитывать при анализе характеристик такого лазера, и важная проблема.
Достоинствами химических лазеров являются высокий КПД (10-15%) и высокое значение энергии, снимаемой с единицы объема. Кроме того, для лазеров без инициирования химических реакций не требуются громоздкие источники питания, как это имеет место в твердотельных, газовых и жидкостных лазерах. Недостаток химических лазеров заключается в токсичности большинства используемых веществ[5].
3.6 Лазеры на эксимерах
Излучение в лазерах этого класса возникает на переходах между двумя термами молекулы, нижний из которых является отталкивательным и составлен обычно из атомов в основном состоянии. Верхний терм лазерного перехода имеет потенциальный минимум. Такие молекулы, существующие только в возбужденном состоянии, носят название эксимерных, это и дало название лазерам данного класса.
Интерес к этим лазерам вызван тем, что с их помощью может быть получено мощное импульсное когерентное излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, причем средняя мощность излучения эксимерных лазеров может достигать сотен ватт, а КПД преобразования в излучение введенной в активную среду энергии превышает несколько процентов.
На разных типах эксимерных молекул получают лазерное излучение от области вакуумного ультрафиолета (л= 0,126 мм, лазер на Ar2) до зеленой области спектра (л = 558 нм, на KrО). Полосы люминесценции эксимерных молекул однородно уширены, что позволяет получать плавную перестройку частоты излучения.
Эксимерные лазеры работают по четырехуровневой схеме на связанно-свободных переходах молекул[6].
Существующие эксимерные лазеры можно разделить на три группы: лазеры на димерах инертных газов; лазеры на моногаллоидах инертных газов; лазеры на оксидах инертных газов. Разрабатываются лазеры на соединениях паров металлов с инертными газами (HgXe, TlXe и т.д.), а также на смеси паров металлов (NaHg, GdHg и т.п.).
Схема энергетических уровней эксимерного лазера
Рассмотрим кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний эксимерной молекулы (рис. 18). Основное состояние таких молекул соответствует взаимному отталкиванию атомов, и, следовательно, молекул в этом состоянии не существует. Но поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, то в возбужденном состоянии молекула существует. Таким образом, генерация может быть получена между верхним (связанным) и нижним (несвязанным) состояниями. Отталкивательный характер нижнего терма обусловливает его эффективное опустошение (незаселенность нижнего уровня) и отсутствие поглощения лазерного излучения активной средой, а расположение нижнего терма вблизи основного электронного состояния приводит к весьма высоким (свыше 0,9) значениям квантового КПД, определяемого как отношение энергии лазерного кванта к энергии верхнего лазерного уровня.
В результате процессов, происходящих в возбужденном газе, образуется эксимерная молекула в электронно-возбужденном состоянии на некотором колебательном уровне. Линия излучения такой молекулы относительно широка.
Схема лазера с накачкой релятивистским электронным пучком:
1 - вакуумная камера; 2 - катод электронной пушки; 3 - зеркала резонатора; 4 - лазерная камера с газом при высоком давлении; 5 - электронный пучок; 6 - окно, закрытое фольгой
В эксимерных лазерах используются двухатомные эксимерные молекулы - короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом. Активная среда эксимерных лазеров состоит из инертного газа при атмосферном или большем давлении (до 10 и более атмосфер) с возможными малыми добавками галогеносодержащих молекул[6].
Эксимерные молекулы образуются в результате протекания следующих процессов:
где R - атом инертного газа; X - молекула галогена (звездочка означает электронно-возбужденное состояние). Пороговые значения инверсии для эксимерных лазеров весьма велики. Это обусловлено коротковолновым диапазоном их излучения, а также широкой линией усиления активной среды. На рис. 19 представлена схема лазера с накачкой релятивистским электронным пучком. Электронная пушка состоит из высоковольтного импульсного источника питания, вакуумного диода, который формирует пучок, и окна, через которое электроны попадают в лазер. При этом возникает затруднение с вводом пучка в межэлектродное пространство, где создается затем основной разряд, приводящий к инверсии. Это вызвано тем, что электронные пучки создаются в камерах, где давление не превышает 10-3 Па, а в межэлектродном пространстве лазера давление выше атмосферного. Ввод пучка осуществляется через тонкую металлическую фольгу, разделяющую камеры высокого и низкого давления. Плотность тока в электронном пучке обычно составляет 5 - 500 А/см2 при общем токе 5-50 кА, а длительность импульса лежит в пределах от 50 нс до 1 мкс. Электроны электронного пучка, проходя через активную среду лазера, рассеиваются на ядрах и электронах газа, передают им свою энергию и создают возбужденные атомы и вторичные электроны. Далее ионизация и возбуждение газа осуществляются уже вторичными, более медленными электронами. Образуются возбужденные молекулы в различных колебательных состояниях. В результате столкновений с нейтральными атомами происходит колебательная релаксация, стабилизирующая молекулы на нижних колебательных уровнях. Затем, получив квант света, молекула распадается на два нейтральных атома.
По сравнению с электронным пучком электрический разряд обеспечивает более высокие значения КПД накачки и средней мощности. Получение более высокого КПД в электроразрядных лазерах связано с тем, что можно с высокой точностью управлять условиями разряда и тем самым с большой эффективностью осуществлять прямую накачку метастабильных уровней инертных газов электронньм ударом. Более высокая средняя мощность обусловлена отсутствием или уменьшением таких отрицательных факторов, как нагрев фольги и пинчевание (самосжатие) пучка[5].
К настоящему времени запущено свыше десятка различных типов эксимерных лазеров как с накачкой электронным пучком, так и с оптической и электронной накачкой. Эти лазеры дают излучение в диапазоне 120-1000 нм. Существенным достоинством эксимерных лазеров является возможность перестройки частоты генерации в широкой области спектра.
Одним из перспективных применений эксимерных лазеров является оптическая накачка другой лазерной среды, причем существенным моментом является возможность в некоторой степени управления по частоте. Рентгеновские когерентные источники излучения найдут главным образом применение в диагностике очень плотной плазмы, микропроцессорах, биохимических и генетических исследованиях. Источники такого типа будут применяться в рентгеновской голографии, производстве компонент для микроэлектроники. Использование эксимерных лазеров позволит также в значительной степени снизить стоимость разделения изотопов урана[6].
...Подобные документы
Создание оптического квантового генератора или лазера - великое открытие физики. Принцип работы лазеров. Вынужденное и спонтанное излучение. Газовый, полупроводниковый непрерывного действия, газодинамический, рубиновый лазер. Сферы применения лазеров.
презентация [4,4 M], добавлен 13.09.2016Понятие, классификация лазеров по признакам, характеристика основных параметров, их преимущества. Причины конструкции лазеров с внешним расположением зеркал. Описание физических процессов в газовых разрядах, способствующих созданию активной среды.
реферат [594,8 K], добавлен 13.01.2011История создания лазера. Принцип работы лазера. Некоторые уникальные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в различных технологических процессах. Применение лазеров в ювелирной отрасли, в компьютерной технике. Мощность лазерных пучков.
реферат [610,1 K], добавлен 17.12.2014Принцип действия и разновидности лазеров. Основные свойства лазерного луча. Способы повышения мощности лазерного излучения. Изучение особенностей оптически квантовых генераторов и их излучения, которые нашли применение во многих отраслях промышленности.
курсовая работа [54,7 K], добавлен 20.12.2010Характеристики полупроводниковых материалов и источников излучения. Соединение источника с волокном. Конструкции одномодовых лазеров, особенности РБО-лазеров. Расчет параметров многомодового лазера с резонатором Фабри-Перо. Светоизлучающие диоды (СИД).
реферат [561,8 K], добавлен 11.06.2011Конструктивные особенности оптических резонаторов для твердотельных лазеров. Перспективы эффективного применения градиентных лазеров. Математические модели, демонстрирующие характер распределения мощности электромагнитного поля в лазерных кристаллах.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 16.07.2013Принцип работы лазера. Классификация современных лазеров. Эффекты, в виде которых в тканях организма реализуется биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения. Действующие факторы лазерного излучения. Последствия действия светового потока.
презентация [690,8 K], добавлен 19.05.2017Ознакомление с историей создания генераторов электромагнитного излучения. Описание электрической схемы и изучение принципов работы полупроводникового лазера. Рассмотрение способов применения лазера для воздействия на вещество и для передачи информации.
курсовая работа [708,7 K], добавлен 08.05.2014Изучение история открытия, назначения и механизмов работы лазеров - источников когерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на использовании явления индуцированного излучения. Лазеры в технологии, в авиации, в медицине и науке.
реферат [121,0 K], добавлен 20.12.2010Основа принципа работы лазеров. Классификация лазеров и их основные характеристики. Использование лазера при маркировке товаров. Способ возбуждения активного вещества. Расходимость лазерного луча. Диапазон длины волн. Области применения лазера.
творческая работа [17,5 K], добавлен 24.02.2015Применение излучения эксимерных лазеров. Классификация молекул рабочего вещества. Процесс получения генерации. Охлаждение, вентиляция и очистка рабочего газа. Накачка электронным пучком или электрическим разрядом. Коммерческие модели эксимерных лазеров.
учебное пособие [555,6 K], добавлен 27.11.2009Лазер - квантовый генератор, излучающий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения. Схема устройства лазера и принцип его действия. Временные режимы работы прибора, частота поступления энергии. Применение лазеров в различных отраслях науки и техники.
реферат [439,5 K], добавлен 28.02.2011Классификация и разновидности широтно-импульсных преобразователей, их функциональные особенности и сферы применения. Внутреннее устройство и принцип работы преобразователя ТЕ9, расчет параметров силового каскада. Экономические показатели проекта.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 23.08.2015Понятие степени когерентности двух волн. Опытные установки бипризма, бизеркала Френеля или Ллойда, светосильного расположения (Р. Поля). Интерференционный опыт Юнга. Роль явления когерентности в жизни человека. Применение лазеров в спектроскопии.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 18.01.2011Понятие и назначение лазера, принцип его работы и структурные компоненты. Типы лазеров и их характеристика. Методика и основные этапы измерения длины волны излучения лазера, и порядок сравнения спектров его индуцированного и спонтанного излучений.
лабораторная работа [117,4 K], добавлен 26.10.2009Условие создания инверсии населённостей. Особенности накачки активных сред газовых лазеров в газоразрядной плазме, ударным возбуждением и ион-ионной рекомбинацией, в химической реакции, из нагретых до высокой температуры молекул газа, излучением.
контрольная работа [630,9 K], добавлен 20.08.2015Рассмотрение специфики оптической накачки активной среды лазера. Описание квантовых приборов с оптической накачкой, работающих по трёхуровневой и четырёхуровневой схеме. Параметрическая генерация света. Принцип действия полупроводниковых лазеров.
контрольная работа [442,2 K], добавлен 20.08.2015Механизм возникновения инверсной населенности. Особенности генерации в химических лазерах, способы получения исходных компонентов. Активная среда лазеров на центрах окраски, типы используемых кристаллов. Основные характеристики полупроводниковых лазеров.
презентация [65,5 K], добавлен 19.02.2014Классическая теория колебательных спектров и их квантово-механическое представление. Принцип работы и внутреннее устройство инфракрасных спектрометров, их классификация и типы, функциональные особенности, условия и сферы практического применения.
курсовая работа [180,6 K], добавлен 21.01.2017Технология изготовления, свойства и сферы применения квантовых ям, нитей и точек. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии для выращивания кристаллических наноструктур. Использование двойной гетероструктуры полупроводниковых лазеров для генерации излучения.
дипломная работа [290,4 K], добавлен 05.04.2016
