Реферат Аргоновий лазер

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Запровадження

Лазер є джереломонохроматического когерентного світла із високим спрямованістю світлового променя. Саме поняття «лазер» складається з перших літер англійського словосполучення «LightAmplificationbyStimulatedEmission ofRadiation», що означає «посилення світла результаті вимушеного випромінювання». Справді, основний фізичний процес, визначальний дію лазера, - це вимушене випущення випромінювання. Воно відбувається за взаємодії фотона з збудженою атомом при точному збігу енергії фотона з енергією порушення атома (чи молекули). Внаслідок цього взаємодії збуджений атом перетворюється наневозбужденное стан, а надлишок енергії випромінюється як нового фотона точнісінько той самий енергією, напрямом поширення і поляризацією, як і в первинного фотона. Отже, наслідком цього процесу служить наявність вже двох абсолютно ідентичних фотонів з збудженими атомами, аналогічними першому атома, може виникнути «ланцюгова реакція» розмноження однакових фотонів, «летять» вже напевне щодо одного напрямі, що сприятиме появі вузькоспрямованої світлового променя. Для виникнення лавини ідентичних фотонів необхідна середовище, у якій порушених атомів було набагато більше, ніж невозбужденних, оскільки за взаємодії фотонів зневозбужденними атомами відбувалося б поглинання фотонів. Така середовище називається середовищем зинверснойнаселенностью рівнів енергії.

Отже, крім вимушеного випущення фотонів збудженими атомами відбувається також процес самовільного, спонтанного випущення фотонів під час переходу порушених атомів вневозбужденное стан та інформаційний процес поглинання фотонів під час переходу атомів зневозбужденного стану в порушена. Ці три процесу, супроводжують переходи атомів ввозбужденное стан і навпаки, булипостулировани А. Ейнштейном в 1916 р. Якщо порушених атомів велика і існуєинверснаянаселенность рівнів (у верхнійвозбужденном стані атомів більше, ніж у нижньому,невозбужденном), то перший фотон, що у результаті спонтанного випромінювання, викликаєвсенарастающую лавину появи ідентичних йому фотонів.Произойдет посилення спонтанного випромінювання.

На можливість тиску світла середовищі зинверснойнаселенностью рахунок вимушеного випущення вперше зазначила у 1939 р. радянський фізикВ.А.Фабрикант, який запропонував створитиинверснуюнаселенность в електричному розряді в газі. При одночасному народженні (принципово може бути) значної частини спонтанно випущених фотонів виникне велика кількість лавин, кожна з яких поширюватиметься у своєму напрямі, заданому початковоюфотоном відповідної лавини. У результаті одержимо потоки квантів світла, але з зможемо одержати ані спрямованого променя, ні високоїмонохроматичности, оскільки кожна лавина ініціювалася власним початковоюфотоном. Щоб середу ввечері зинверснойнаселенностью можна було використовувати, для генерації лазерного променя, тобто. спрямованого променя із високиммонохроматичностью, необхідно зніматиинверснуюнаселенность з допомогою первинних фотонів, вже які мають одному й тому ж спрямованістю випромінювання та одному й тому ж енергією, яка відповідає енергією даного переходу в атомі. І тут ми не матимемо лазерний підсилювач світла. Існує, проте, інший варіант отримання лазерного променя, пов'язані з використанням зворотний зв'язок.Спонтанно народжені фотони, напрям поширення яких немає перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини фотонів, котрі виступають поза межі середовища. У той самий час фотони, напрям поширення яких перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини, багаторазово все частіші серед внаслідок багаторазового відображення від дзеркал. Якщо одна з дзеркал володітиме невеликимпропусканием, то нього виходитиме спрямований потік фотонів перпендикулярно площині дзеркал. При правильно підібраному пропущенні дзеркал, точної їх настроюванні щодо одне одного й щодо подовжньої осі середовища зинверснойнаселенностью зворотний може бути настільки ефективної, що випромінюванням «убік» можна буде потрапити повністю знехтувати проти випромінюванням, які виходять через дзеркала. Насправді це, справді вдасться зробити. Таку схему зворотний зв'язок називають оптичним резонатором, і саме ця тип резонатора використав більшості існуючих лазерів.

Створено безліч різноманітних типів лазерів, що працюють у різних режимах. Існують безупиннонакачиваемие лазери (енергія порушення вступає у активний елемент лазера безупинно), випромінювання яких має вигляд або безперервного світлового потоку, або регулярної послідовності світлових імпульсів. Частота прямування лазерних імпульсів може дуже високої – до 107 імпульсів в секунду.Лазери з імпульсної накачуванням (енергія порушення вступає у активний елемент окремими імпульсами) можуть випромінювати «гігантські імпульси» (тривалість імпульсу 10-8 з, інтенсивність імпульсу в максимумі до 106 кВт), і навітьсверхкороткие світлові імпульси (тривалість імпульсу 10-12 з, інтенсивність в максимумі до 109 кВт). Як активних елементів лазерів застосовуються різні кристали, скла, напівпровідникові матеріали, рідини, і навіть 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 у випадку утворює плазма тліючого розряду із високим 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 приведено на рис. 1 із зазначенням деяких найважливіших лазерних переходів. Повна схема рівнів енергії складна й включає багато інших рівні й інші лазерні переходи, не показані малюнку. Найбільш інтенсивні переходи мають довжини хвиль 0,4880 і 0,5145мкм. Ці рівні є рівнями іона аргону, отож у роботиаргонового лазера атоми мали бути зацікавленими попередньо одноразовоионизировани. Основним станом у цій схемі є основне стан іона аргону, яке розміщено вище основного стану нейтрального атома аргону на 16еВ. З іншого боку, верхні лазерні рівні лежать приблизно 20еВ вище основного іонного стану. Звідси випливає, що нейтральному атома аргону має має бути передане значну кількість енергії у тому, щоб перекласти його за верхній лазерний рівень іона аргону.


>Рис. 1 Схема рівнів енергії одноразово іонізованого аргону, які стосуються роботіаргонового іонного лазера.

Основне стан іонаАr+ виходить шляхом видалення однієї з шести3р-електронов зовнішньої оболонки аргону.Возбужденние стану4s і4р виникають, коли один решти3р-електронов закидається на рівні відповідно4s і4p. З урахуванням взаємодії з іншими3р-електронами обидва рівня4s і4р складаються з кількох рівнів. Порушення верхнього лазерного4р-уровня відбувається з допомогоюдвухступенчатого процесу, що включає у собі сутички з двома різними електронами. За першого зіткненні аргон іонізується, тобто. перетворюється на основне стан іонаАr. Прем'єр, перебуваючи переважно стані іонАr+ відчуває друге зіткнення з електроном, що може спричинити до наступним трьом різним процесам: 1) безпосереднє порушення іонаАr+ на4р-уровень; 2) порушення на більш високо що лежать стану з наступноюкаскаднимиизлучательними переходами до рівня4р; 3) порушення наметастабильние рівні з наступним третім зіткненням з електроном, що призводить до порушення на4р-уровень. Оскільки процеси 1 і 2 містять у собі два етапу, пов'язаних із зіткненнями з електронами, можна очікувати, що швидкість накачування в верхнє стан буде пропорційна квадрату щільності струму розряду. Справді, швидкість накачування верхнього стану (>dN2/dt)p повинен мати вид (>dN2/dt)p~NeNt~N2e, деNe іNt – щільності електронів і іонів в плазмі (>Ne Ni в плазмі позитивного стовпа). Оскільки електричне полі розряді залежить відразрядного струму, щільність електронівNe пропорційна щільностіразрядного струму і з попереднього висловлювання слід, що (>dN2/dt)p ~J2. Можна показати, що з високихплотностях струму розглянутий вище процес 3 також призводить до того, що швидкість накачування пропорційнаJ2. Отже, накачування різко зростає збільшенням щільності струму і, щоб розглянутий вище малоефективний двоступінчастий процес дозволив закачати досить іонів в верхнє стан, необхідні високі щільності струму (~ 1кА/см2). Цим можна пояснити, чому перший запускАr+-лазера стався через близько 3-х років тому після запускуНе-Ne-лазера. ІонАr+, будучи забуто на верхній лазерний рівень4р, можерелаксировать до рівня4s у вигляді швидкої (~ 10-8 з)излучательной релаксації. Проте слід зазначити, що релаксація з нижнього лазерного4s-уровня в основне станАr+ відбувається поза час, яке приблизно 10 разів коротшим від. Отже, умова безупинної генерації виконується.

З сказаного вище варто, що генерацію варгоновом лазері можна очікувати на переході4p4s. Оскільки обидва рівня4s і4р насправді складаються із багатьох підрівнів, аргоновий лазер може генерувати на багатьох лініях, серед найбільш інтенсивними є зелена (> = 514,5 нм) і синя (> = 488 нм). З вимірів спектра спонтанного випромінювання знайшли, щодоплеровская ширина лінії*0, наприклад зеленого переходу, становить близько 3500 МГц. Це означає, що температура іонів дорівнює Т 3000 До. Інакше кажучи, іони є дуже гарячими завдяки їхнім прискоренню в електричному полі розряду. Щодо широкадоплеровская ширина лінії також призводить до того, що у режимі синхронізації мод варгоновом лазері спостерігаються порівняно короткі імпульси (~ 150пс).

>Инверсиянаселенностей між верхнім (>Е4) і нижнім (>Е3) робітниками рівнями створюється так (рис. 2). РівеньЕ4, має проти рівнемЕ3 більше часу життя, заселяється іонами аргону у цих колегіях сутичок з швидкими електронами в газовому розряді і завдяки переходів порушених іонів із групи розташованих вище рівнівЕ5. У той самий час рівеньЕ3, у якого дуже коротким часом життя (приблизно 25 разів менша, ніж тривалість життя рівняЕ4), швидко спустошується з допомогою повернення іонів в основне стан. Оскільки рівніЕ3 іЕ4 складаються з груп підрівнів, генерація може статися одночасно на кількох довжинах хвиль: від 0,45 до 0,53мкм.

>Рис. 2 Діаграма енергетичних рівнів іонізованого аргону: 1 – порушення при зіткнення з електронами; 2 – лазерне випромінювання із довжиною хвилі 0,45мкм; 3 – спонтанні переходи.


2. До основних рисаргонового лазера

На відміну відгелий-неонового лазера аргоновий лазер має як високе посилення і може бути отримана істотно велика вихідна потужність.Виходная потужність зростає щільністю струму непропорційно, для роботиаргонового лазера бажані вузька трубка і великий струм. Уаргоновихлазерах можна використовувати щільності струму понад стоА/см. Висока щільність струму викликає розігрів істотно впливає на конструкціюаргонового лазера.

За повідомленнями максимальна вихідна потужністьаргонового лазера сягає 150 Вт, але для промислових зразків найхарактерніші значення потужності становлять 2-10 Вт. Повна вихідна потужністьаргонового лазера зазвичай є сумарним випромінюванням усім різних довжинах хвиль. Випромінення в одній довжині хвилі то, можливо отримано під час використання призми врезонаторе лазера. У результаті дисперсії призми промінь лише одним довжини хвилі падатиме по нормальний до дзеркала, отже лазер може працювати лише з одній з всіх можливих довжин хвиль. Однак цьому зменшується вихідна потужність. У табл. 1 наведено характерні значення вихідний потужності щодо різноманітних довжин хвиль звичайного промислового лазера. Такий лазер класифікується як4-ваттний лазер, бо воно може випромінювати 4 Вт під час роботи без призми, коли може водночас може бути випромінювання всіх довжин хвиль. Виділення однієї заданої лінії здійснюється поворотом призми.

Таблиця 1 Характерні значення вихідний 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 безперервнихаргоновихлазерах часто використовується магнітне полі. Поле є подовжнім, тобто. магнітне полі паралельно осі лазера. Основний ефект магнітного поля залежить від збільшенні концентрації електронів а плазмі. Це з тим, що електрони змушені іти у спіралям навколо магнітних силових ліній, у результаті втрати електронів на стінках зменшуються.

Максимальний струмаргонового лазера обмежений фізичним зносом і ерозією внутрішніх поверхонь. Звичайна конструкціяаргонового лазера є набір електрично ізольованих,радиационно-охлаждаемих сегментів, розміщених всередині кварцової вакуумної колби, у якій здійснюється розряд. Сегменти з вузькими отворами виготовляються з матеріалів з мінімальним ерозією. Через великий щільності струму вгазоразрядной трубціаргонового лазера потрібно використовувати високотемпературні матеріали виготовлення обмежують розряд каналів. Описано найрізноманітніші конструкціїаргонових лазерів. Зазвичай використовуються такі матеріали, як графіт, кварц чи кераміка з окису берилію. Окис берилію, очевидно, добре протистоїть розпорошення в електричному розряді. Її найважливішу перевагу – висока теплопровідність.

>Аргоновие лазери можуть випромінювати в ультрафіолеті на довжинах хвиль 0,3511 і 0,3638мкм. Завдяки цьому аргонові лазери є одним із небагатьох комерційно доступних джерел ультрафіолетового лазерного випромінювання. Деякі промислові газові лазери обладнані системоюперенаполнения з компенсації зменшення тиску газу трубці з часом.Подпитку газом можна проводити з допомогою вимикача, відкриває клапан до резервуару з аргоном.Трубка то, можливо доповнена до необхідного оптимального тиску. Ця можливість збільшує термін їхньої служби промисловихаргонових лазерів.

3. Особливості конструкціїаргонового лазера

>Рис. 3 Схема конструкціїгазоразрядной трубкиаргонового лазера: 1 – вихідні вікна лазера; 2 – катод; 3 – канал водяного охолодження; 4 – капіляр; 5 – магніт; 6 – анод; 7 –обводная газова трубка.

Особливості конструкціїаргонового лазера обумовлені тим, що його роботи потрібно пропускати через газ струм великий щільності (за кілька тисяч ампер на квадратний сантиметр), оскільки спочатку потрібно іонізуйте нейтральні атоми аргону. Тому слід передбачити ефективну систему тепловідведення відгазоразрядной трубки (рис. 3). Газовий розряд створюють на тонкому (діаметром 5 мм) капілярі 4,охлаждаемом рідиною. Робоча тиск газу – десяткипаскалей. Для збільшення концентрації електронів у центрі капіляра в розрядному просторі з допомогою магнітів 5 створюється магнітне полі, яке стискує розряд не дає йому стосуватися стінок.Катод 2емиттирует електрони, що під дією електричного поля, докладеної між катодом 2 і анодом 6, рухаються по капіляру до аноду. У цьому газ капілярі теж починає переміщатися від катода до аноду, що може спричинити до гасіння розряду, тому що в анода тиск значно підвищується. Для вирівнювання тиску з довжині капіляракатодную і анодний порожнинигазоразрядной трубки з'єднують обвідний газової трубкою 7, які забезпечують вільну циркуляцію газу.

У перших іоннихлазерах використовувалися кварцові капіляри, термін служби яких не перевищував 100 год. У пізніх конструкціях застосовувалися металокерамічні капіляри. Перспективними є капіляри з урахуванням окислів берилію, працюючого близько 1000 год.

Блок харчування іонного лазера є потужний (близько 20 кВт) ректифікатор, вихідний

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація