Введение
Лазерпредставляет собой источник монохроматического когерентного света с высокойнаправленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букванглийского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation», означающего «усиление света в результате вынужденного излучения».Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, — этовынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона свозбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбужденияатома (или молекулы). В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходитв невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона сточно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и упервичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличиеуже двух абсолютно идентичных фотонов с возбужденными атомами, аналогичнымипервому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножение одинаковыхфотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет кпоявлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичныхфотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбуждённых, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомамипроисходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверснойнаселённостью уровней энергии.
Итак,кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходит такжепроцесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходевозбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов припереходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса,сопровождающие переходы атомов в возбуждённое состояние и обратно, былипостулированы А. Эйнштейном в 1916 г. Если число возбужденных атомов велико исуществует инверсная населённость уровней (в верхнем возбуждённом состоянииатомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся врезультате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичныхему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.
Навозможность давления света в среде с инверсной населённостью за счётвынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А.Фабрикант, предложивший создать инверсную населённость в электрическом разряде в газе. Приодновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанноиспущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будетраспространяться в своём направлении, заданном первоначальным фотономсоответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но несможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так каккаждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобысреду с инверсной населённостью можно было использовать, для генерациилазерного луча, т.е. направленного луча с высокой монохроматичностью,необходимо снимать инверсную населённость с помощью первичных фотонов, ужеобладающих одной и той же направленностью излучения и одной и той же энергией,совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметьлазерный усилитель света. Существует, однако, и другой вариант получениялазерного луча, связанный с использованием обратной связи. Спонтанно родившиесяфотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскостизеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же времяфотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал,создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократногоотражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием,то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярноплоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной ихнастройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды синверсной населённостью обратная связь может оказаться настолько эффективной,что излучением «вбок» можно будет полностью пренебречь по сравнению сизлучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно удаетсясделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именноэтот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.
Созданомножество разнообразных типов лазеров, работающих в различных режимах.Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения поступает вактивный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид либонепрерывного светового потока, либо регулярной последовательности световыхимпульсов. Частота следования лазерных импульсов может быть очень высокой – до 107 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбужденияпоступает в активный элемент отдельными импульсами) могут излучать «гигантскиеимпульсы» (длительность импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 106 кВт), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10-12с, интенсивность в максимуме до 109 кВт). В качестве активных элементов лазеровприменяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые материалы, жидкости,а также газовые среды. Для возбуждения газовых активных сред используетсяэлектрический разряд в газе.
1. Уровни энергии длялазера на ионах аргона
аргоновыйлазер фотон ионный
Активную среду ионныхлазеров в общем случае образует плазма тлеющего разряда с высокой плотностьютока. В наиболее обычных типах ионных лазеров для практических целейиспользуются ионы инертных газов, чаще всего аргона. Упрощенная схема уровнейэнергии для лазера на ионах аргона приведена на рис. 1 с указанием некоторыхнаиболее важных лазерных переходов. Полная схема уровней энергии сложна ивключает еще многие другие уровни и другие лазерные переходы, не показанные нарисунке. Наиболее интенсивные переходы имеют длины волн 0,4880 и 0,5145 мкм.Эти уровни являются уровнями иона аргона, так что для работы аргонового лазераатомы должны быть предварительно однократно ионизированы. Основным состоянием вэтой схеме является основное состояние иона аргона, которое расположено вышеосновного состояния нейтрального атома аргона почти на 16 эВ. Кроме того,верхние лазерные уровни лежат примерно на 20 эВ выше основного ионногосостояния. Отсюда следует, что нейтральному атому аргона должно быть переданозначительное количество энергии для того, чтобы перевести его на верхнийлазерный уровень иона аргона.
/>
Рис. 1 Схема уровнейэнергии однократно ионизированного аргона, относящихся к работе аргоновогоионного лазера.
Основное состояние иона Аr+ получается путем удаления одного изшести 3р-электронов внешней оболочки аргона. Возбужденные состояния 4s и 4р возникают, когда один изоставшихся 3р-электронов забрасывается на уровни соответственно 4s и 4p. Сучетом взаимодействия с остальными 3р-электронами оба уровня 4s и 4р состоят из нескольких уровней. Возбуждениеверхнего лазерного 4р-уровня происходит посредством двухступенчатого процесса,включающего в себя столкновения с двумя различными электронами. При первомстолкновении аргон ионизируется, т.е. переходит в основное состояние иона Аr. Находящийся в основном состоянииион Аr+ испытывает второе столкновение сэлектроном, что может привести к следующим трем различным процессам: 1)непосредственное возбуждение иона Аr+ на 4р-уровень; 2) возбуждение в более высоко лежащие состояния споследующими каскадными излучательными переходами на уровень 4р; 3) возбуждениена метастабильные уровни с последующим третьим столкновением с электроном,приводящим к возбуждению на 4р-уровень. Поскольку процессы 1 и 2 включают всебя два этапа, связанных со столкновениями с электронами, следует ожидать, чтоскорость накачки в верхнее состояние будет пропорциональна квадрату плотноститока разряда. Действительно, скорость накачки верхнего состояния (dN2/dt)p должна иметь вид (dN2/dt)p~NeNt~N2e, где Ne и Nt – плотности электронов и ионов вплазме (Ne ≈ Ni в плазме положительного столба). Так как электрическое поле вразряде не зависит от разрядного тока, плотность электронов Ne пропорциональна плотности разрядного тока и из предыдущеговыражения следует, что (dN2/dt)p ~ J2. Можнопоказать, что при высоких плотностях тока рассмотренный выше процесс 3 такжеприводит к тому, что скорость накачки пропорциональна J2. Таким образом, накачка резко возрастает с увеличениемплотности тока и для того, чтобы рассмотренный выше малоэффективныйдвухступенчатый процесс позволил закачать достаточно ионов в верхнее состояние,необходимы высокие плотности тока (~ 1 кА/см2). Этим можно объяснить, почемупервый запуск Аr+-лазера произошел спустя около 3-х лет после запуска Не-Ne-лазера. Ион Аr+, будучи заброшен на верхнийлазерный уровень 4р, может релаксировать на уровень 4s посредством быстрой (~ 10-8 с) излучательной релаксации.Однако следует заметить, что релаксация из нижнего лазерного 4s-уровня в основное состояние Аr+ происходит за время, котороепримерно в 10 раз короче. Таким образом, условие непрерывной генерациивыполняется.
Из сказанного вышеследует, что генерацию в аргоновом лазере следует ожидать на переходе 4p→4s. Так как оба уровня 4s и 4р на самом деле состоят из многих подуровней, аргоновыйлазер может генерировать на многих линиях, среди которых наиболее интенсивнымиявляются зеленая (λ = 514,5 нм) и синяя (λ = 488 нм). Из измеренийспектра спонтанного излучения было найдено, что доплеровская ширина линии Δυ*0, например зеленого перехода,составляет около 3500 МГц. Это означает, что температура ионов равна Т≈ 3000К. Иными словами, ионы являются очень горячими благодаря их ускорению вэлектрическом поле разряда. Относительно широкая доплеровская ширина линиитакже приводит к тому, что в режиме синхронизации мод в аргоновом лазеренаблюдаются сравнительно короткие импульсы (~ 150 пс).
Инверсия населенностеймежду верхним (Е4) и нижним (Е3) рабочими уровнями создается следующим образом (рис. 2).Уровень Е4, имеющий по сравнению с уровнем Е3 большее время жизни, заселяется ионами аргона за счет ихстолкновений с быстрыми электронами в газовом разряде и за счет переходоввозбужденных ионов из группы расположенных выше уровней Е5. В то же время уровень Е3,обладающий очень коротким временем жизни (примерно в 25 раз меньше, чем времяжизни уровня Е4), быстро опустошается за счетвозвращения ионов в основное состояние. Так как уровни Е3 и Е4 состоят из групп подуровней,генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до0,53 мкм.
/>
Рис. 2 Диаграммаэнергетических уровней ионизированного аргона: 1 – возбуждение при столкновенияхс электронами; 2 – лазерное излучение с длиной волны 0,45 мкм; 3 – спонтанныепереходы.
2. Основные характеристикиаргонового лазера
В отличие отгелий-неонового лазера аргоновый лазер имеет более высокое усиление и можетбыть получена существенно большая выходная мощность. Выходная мощностьвозрастает с плотностью тока непропорционально, поэтому для работы аргоновоголазера желательны узкая трубка и большой ток. В аргоновых лазерах могутиспользоваться плотности тока более 100 А/см². Высокая плотность токавызывает разогрев и существенно влияет на конструкцию аргонового лазера.
По сообщенияммаксимальная выходная мощность аргонового лазера достигает 150 Вт, но дляпромышленных образцов наиболее характерные значения мощности составляют 2-10Вт. Полная выходная мощность аргонового лазера обычно является суммарнымизлучением на всех различных длинах волн. Излучение на одной длине волны можетбыть получено при использовании призмы в резонаторе лазера. Вследствиедисперсии призмы луч лишь одной длины волны будет падать по нормали к зеркалу,так что лазер может работать только на одной из всех возможных длин волн.Однако при этом уменьшается выходная мощность. В табл. 1 приведены характерныезначения выходной мощности для различных длин волн обычного промышленноголазера. Такой лазер классифицируется как 4-ваттный лазер, поскольку он можетизлучать 4 Вт при работе без призмы, когда может одновременно присутствоватьизлучение всех длин волн. Выделение одной заданной линии осуществляетсяповоротом призмы.
Таблица 1 Характерныезначения выходной мощностиДлина волны, мкм Мощность, 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 (специальные зеркала)
В непрерывных аргоновыхлазерах часто используется магнитное поле. Поле является продольным, т.е.магнитное поле параллельно оси лазера. Основной эффект магнитного полязаключается в увеличении концентрации электронов а плазме. Это связано с тем,что электроны вынуждены двигаться по спиралям вокруг магнитных силовых линий, врезультате чего потери электронов на стенках уменьшаются.
Максимальный токаргонового лазера ограничен физическим износом и эрозией внутреннихповерхностей. Обычная конструкция аргонового лазера представляет собой наборэлектрически изолированных, радиационно-охлаждаемых сегментов, размещенныхвнутри кварцевой вакуумной колбы, в которой осуществляется разряд. Сегменты сузкими отверстиями изготовляются из материалов с минимальной эрозией. Из-забольшой плотности тока в газоразрядной трубке аргонового лазера должныиспользоваться высокотемпературные материалы для изготовления ограничивающихразряд каналов. Описаны самые разнообразные конструкции аргоновых лазеров.Обычно используются такие материалы, как графит, кварц или керамика из окисибериллия. Окись бериллия, по-видимому, особенно хорошо противостоит распылениюв электрическом разряде. Ее наиболее важное преимущество – высокаятеплопроводность.
Аргоновые лазеры могутизлучать в ультрафиолете на длинах волн 0,3511 и 0,3638 мкм. Благодаря этомуаргоновые лазеры являются одними из немногих коммерчески доступных источниковультрафиолетового лазерного излучения. Некоторые промышленные газовые лазерыснабжены системой перенаполнения с целью компенсации уменьшения давления газа втрубке с течением времени. Подпитку газом можно осуществлять с помощьювыключателя, открывающего клапан к резервуару с аргоном. Трубка может бытьдополнена до требуемого оптимального давления. Эта возможность увеличивает срокслужбы промышленных аргоновых лазеров.
3. Особенностиконструкции аргонового лазера
/>
Рис. 3 Схема конструкциигазоразрядной трубки аргонового лазера: 1 – выходные окна лазера; 2 – катод; 3– канал водяного охлаждения; 4 – капилляр; 5 – магнит; 6 – анод; 7 – обводнаягазовая трубка.
Особенности конструкцииаргонового лазера обусловлены тем, что для его работы требуется пропускатьчерез газ ток большой плотности (до нескольких тысяч ампер на квадратныйсантиметр), так как сначала нужно ионизировать нейтральные атомы аргона.Поэтому необходимо предусмотреть эффективную систему теплоотвода отгазоразрядной трубки (рис. 3). Газовый разряд создают в тонком (диаметром 5 мм) капилляре 4, охлаждаемом жидкостью. Рабочее давление газа – десятки паскалей. Для увеличенияконцентрации электронов в центре капилляра в разрядном пространстве с помощьюмагнитов 5 создается магнитное поле, которое сжимает разряд и не дает емукасаться стенок. Катод 2 эмиттирует электроны, которые под действиемэлектрического поля, приложенного между катодом 2 и анодом 6, движутся покапилляру к аноду. При этом газ в капилляре тоже начинает перемещаться откатода к аноду, что может привести к гашению разряда, так как у анода давлениезначительно повышается. Для выравнивания давления по длине капилляра катодную ианодную полости газоразрядной трубки соединяют обводной газовой трубкой 7,обеспечивающей свободную циркуляцию газа.
В первых ионных лазерахиспользовались кварцевые капилляры, срок службы которых не превышал 100 ч. Вболее поздних конструкциях применялись металлокерамические капилляры.Перспективными являются капилляры на основе окисей бериллия, работающего около1000 ч.
Блок питания ионноголазера представляет собой мощный (около 10 кВт) выпрямитель, выходноенапряжение которого составляет 200…400 В. Можно использовать такжевысокочастотное возбуждение, при котором возрастает долговечность капилляра засчет того, что ионы, бомбардирующие его стенки, при движении в высокочастотномполе не успевают приобрести большой скорости. Однако блок питания в этом случаеполучается значительно сложнее, чем при возбуждении лазера постоянным током.
4. Применение аргоновыхлазеров
В настоящее время ионныеаргоновые лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентногоизлучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Созданы лазеры смощностью излучения до 150 Вт. Теоретические оценки показывают, что мощностьэтих лазеров может быть увеличена до нескольких сотен ватт. Широкомураспространению мощных аргоновых лазеров препятствует их высокая стоимость,сложность, низкий КПД (
Аргоновые лазеры широкоиспользуются для накачки непрерывных лазеров на красителях, для множестванаучных применений (взаимодействие излучения с веществом), в лазерныхпринтерах, в лазерной хирургии и в техническом оснащении развлекательныхпрограмм.
5. Список используемойлитературы
1. Дж. Реди,Промышленные применения лазеров, М., «Мир», 1981 г.
2. Справочник полазерной технике, Киев, «Техника», 1978 г.
3. Политехническийсловарь, М., «Советская энциклопедия», 1977 г.
4. Дж. Триг, Физика 20 века: ключевые эксперименты, М., «Мир», 1978 г.
5. Байбородин Ю.В.,Основы лазерной техники, М., «Мир», 1988 г.