Ионные лазеры

 

1.1 Лазеры для коротковолновой области.

1.2 Ионные лазеры на инертном газе.

Ионные аргоновые лазеры.

Конструктивное исполнение.

Ионные криптоновые лазеры.

Области применения.

 

В случае ионных лазеров, речь идет о газоразрядных системах, близких к лазерам с атомарными газами. Ион есть атом, у которого один или несколько электронов обычно освобождены из внешних орбит. Поэтому ион заряжен положительно, причем этот заряд соответствует одному или нескольким элементарным зарядам. Оставшиеся электроны могут возбуждаться так же, как в атоме, и генерировать излучение при переходе в основное состояние либо иные возбужденные состояния. Здесь возможны точно такие же лазерные переходы, что и в атомах. Поскольку каждому атому принадлежит несколько ионов, то в силу их существования возникает множество дополнительных лазерных линий.

Ионы образуются в каждом газовом разряде в результате столкновения электронов, возбужденных атомов или других ионов с атомами, вследствие чего атомы "ионизируются". Кроме того, в газовом разряде ионы возбуждаются вследствие разных процессов столкновения с электронами или другими частицами, так что газовые разряды, наряду с атомными переходами, также генерируют излучение посредством электронных переходов в ионах.

Ионы могут формироваться не только в результате электрических разрядов, но и в плазмах, инициированных лазерным излучением. С этой целью пучок импульсного высокомощного лазера наводится на неподвижную мишень, которая начинает испаряться. На основе большой плотности подводимой энергии образуются электроны и ионы, причем достигается очень высокая степень ионизации, то есть многие электроны отделяются от атомов. Такие ионы излучают коротковолновой свет и пригодны для создания рентгеновских лазеров.

Ионы могут присутствовать также в твердых телах в виде модулей кристаллической решетки либо так называемых примесных центров. Они обладают даже устойчивой формой, в то время как для ионов в газовых разрядах и других плазмах характерна рекомбинация с электронами, что вновь приводит к образованию атомов. Такие примесные ионы являются основой для создания важнейших типов твердотельных лазеров.

 

1.1 Лазеры для коротковолновой области

Энергетические состояния Еп самого крайнего ("излучающего") электрона иона могут быть приблизительно описаны на примере близкой к водороду модели, согласно которой заряд атомного ядра за вычетом заряда внутренних электронов дает эффективное (зарядовое) атомное число Z. Согласно этой упрощенной модели, оптический электрон движется в поле точечного заряда, так что энергетические состояния - в соответствии с теорией атома водорода Бора - выражаются через:

Еп = -(13,6эВ) Z2/n2,    (1)

где n есть главное квантовое число или, соответственно, номер орбиты.

Уравнение (1) и рис. 1 показывают, что электронная энергия ионов (Z>2) превышает электронную энергию атомов (Z=1). Это объясняется тем, что из-за более высокого эффективного заряда атомного ядра оптический электрон в ионе связан сильнее, чем в атоме. Уравнение (1) можно признать точным только в отношении Н (атом водорода, Z=1), Не+ (положительный однозарядный ион гелия, Z=2), L++ (двухзарядный ион лития, Z=3) и других полностью ионизированных атомов. Но и в случае других ионов можно наблюдать, что энергия электронов в среднем возрастает со степенью ионизации.

Рис. 1. Энергетические состояния электрона в атоме водорода (Н) и атоме гелия (Не+)

Генерация лазерного излучения происходит обычно между возбужденными состояниями атомов и ионов, так как инверсия относительно основного состояния создается лишь с большим трудом. Переходы между возбужденными состояниями в атоме водорода дают длины волн преимущественно в видимой и инфракрасной областях спектра. То же касается и более сложных нейтральных атомов. В сравнении с этим, генерация коротковолнового, ультрафиолетового излучения возможна посредством переходов в возбужденных состояниях ионов, как это видно из рис. 1 для гелия. С атомами более высокой степени ионизации можно, согласно уравнению (1), получить еще более короткие волны. В дополнение к вышесказанному следует отметить, что атом гелия и ион Не++ до сих пор считаются не слишком подходящими для генерации лазерного излучения и приведены здесь исключительно в качестве наиболее простых примеров рассмотрения спектральных свойств излучения атомов и ионов.

Более успешная генерация коротковолновых областей ионными лазерами (по сравнению с атомными лазерами) отчетливо проявляется также при параллельном рассмотрении ионного аргонового и гелий-неонового лазеров. Этот атомный лазер дает красную и зеленую линии, в то время как ионный аргоновый лазер генерирует зеленую, синюю и ультрафиолетовую линии.

В заключение можно констатировать, что ион в среднем излучает более короткие волны, чем атом. Еще один путь генерации волн с длиной короче, чем у атома, состоит в применении молекул. Дело в том, что молекулы обладают такой же энергией электронов, что и атомы, но в результате колебаний основное состояние расщепляется или даже ставится нестабильным, как при эксимерах. И тогда возможны лазерные переходы с большой энергией, соответствующей примерно энергии перехода в атоме водорода серии Лаймана.

1.2 Ионные лазеры на инертном газе

С помощью ионизированных инертных газов Ne, Аr, Кr и Хе в газовых разрядах на более чем 250 линиях в спектральном диапазоне от 175 до 1100 нм достигается генерация лазерного излучения. При этом, как правило, чем выше состояние ионизации, тем короче длины волн и тем больше энергия фотонов, поскольку отмечается все более сильная связь оптических электронов (см. п. 1.1). Некоторые из лазерных линий возникают из переходов в инертных газах, иногда многократно ионизированных. Столь высокое состояние ионизации с необходимой плотностью ионов возможно только в импульсном режиме.

Особое значение имеют непрерывные лазеры (cw) в инертных газах, однократно и двукратно ионизированных. Главным представителем такого типа является ионный аргоновый лазер, который в специальных исполнениях способен генерировать мощности выше 100 Вт в сине-зеленой области спектра и до 60 Вт в ближней ультрафиолетовой области. Это один из самых популярных лазеров коммерческого назначения. Криптоновый лазер с непрерывными (cw) мощностями в несколько ватт расширяет область спектра почти до инфракрасной зоны. Самые интенсивные линии непрерывно действующих ионных лазеров показаны на рис. 2

 

Ионные аргоновые лазеры

Схема принципиального процесса генерации верхних лазерных уровней приведена на рис. 3 на примере аргона. В результате соударения электронов ионизируется атом аргона. Далее, после столкновения второго рода, ион аргона возбуждается в верхний лазерный уровень. Другие механизмы возбуждения заключаются в том, что населенность создается за счет распадов излучения вышележащих уровней либо электронно-столкновительное возбуждение проистекает из более глубоких метастабильных состояний иона аргона. Как предполагается, все три процесса вносят существенный вклад в заселенность верхнего лазерного уровня, причем, например, на долю каскадных переходов из вышележащих уровней приходится от 25 до 50%.

Рис. 2. Интенсивные линии непрерывно действующих ионных лазеров на инертном газе

Рис. 3. Энергетические уровни и процесс накачки у аргонового лазера. (ArII есть спектроскопическое обозначение для иона Аr+)

Как видно из рис. 3, верхний лазерный 4p-уровень 35,7 эВ располагается над основным состоянием атома аргона, а 20>В - над ионом аргона. Таким образом, возбуждению могут способствовать только обладающие большой энергией электроны с получением невысокой квантовой эффективности порядка 10%. Эти данные относятся к основному состоянию иона аргона, так как он может вновь возбуждаться в разряде. Нижний лазерный 4y-уровень быстро опустошается в результате излучательного перехода (72 нм) с временем жизни 1 нс. В сравнении с этим, время жизни в верхнем 4p-состоянии продолжительнее на 10 нc. Короткое время жизни на нижнем лазерном уровне обеспечивает совсем небольшую населенность, вследствие чего инверсия может осуществляться, несмотря на относительно слабое возбуждение верхнего лазерного уровня.

Так как состояния 4р и 4S расщеплены, образуется большое число лазерных переходов с разными интенсивностями. На рис. 4 показано 10 лазерных линий, самые интенсивные из которых находятся в диапазоне длин волн 488,0 нм (синяя) и 514,5 нм (зеленая). В коммерческих лазерах достигаются мощности этих линий более 10 ватт (см. таблицу 1).

Рис. 4. 4p->4s - переходы аргонового лазера

По причине двухступенчатого электронно-столкновительного возбуждения мощность аргонового лазера возрастает почти квадратично току. Для аргонового лазера высокой мощности обязательны - в силу необходимой ионизации и возбуждения - большие токи на малых поперечных сечениях. Безусловно, это потребует гораздо более серьезных - по сравнению с гелий-неоновыми лазерами - технологических затрат.

При дальнейшем повышении плотности тока аргон может быть ионизирован дважды. Для этого требуется энергия в 43 эВ. Примерно на 25-30 эВ выше основного состояния Аr2+ существуют дальнейшие лазерные уровни, которые генерируют ультрафиолетовое излучение с 334, 351 и 364 нм. У лазеров в специальном исполнении мощность может составлять несколько ватт. Такие ультрафиолетовые аргоновые лазеры довольно дороги, ибо для них требуется специальная оптика, а также обязательны повышенные плотности тока и сильные магнитные поля.

Таблица 1. Мощность ионного аргонового лазера 20 Вт при разныхлиниях излучениях

Стандартная оптика  Ультрафиолетовая оптика 
Длина волны (нм)  Мощность (Вт)  Длина волны (нм)  Мощность (Вт) 
528.7  385.1-351.1 
514.5  10  363.8-333.6 
501.7  335.8-300.3 
496.5  305.5-275.4  0.6 
488.0  10     
476.5     
472.7     
465.8     
457.9     
454.5     
все линии  20     

 

Конструктивное исполнение

Для эффективного возбуждения линий Аr+ в разряде требуется плотность электронов 1014 см-3. Эта величина достигается при плотности тока до 103 А·см2 в дуговых разрядах низкого давления. Напряженность поля вдоль разряда составляет порядка 4 В см-1. Температура нейтрального газа может достигать 5·103 К. Высокие плотности мощности требуют значительных технических затрат при конструировании лазерных трубок. В большинстве случаев речь идет о керамической трубке с водяным охлаждением, например, из ВеО - вещества, обладающего высокой теплопроводностью, почти как у алюминия. В других вариантах исполнения разряд проводится через снабженные отверстиями вольфрамовые диски, отводящие тепло на трубку посредством держателей из меди (рис. 5). Сегодня в большинстве случаев находят применение трубки именно из ВеО. Так как порошок ВеО сильно ядовит, утилизация таких трубок требует максимальной осторожности с привлечением специализированных организаций.

Рис. 5. Газоразрядная трубка для ионного аргонового лазера

Благодаря своей высокой плотности электроны отжимаются радиально наружу, что приводит к понижению плотности тока. Этот эффект компенсируется sa счет внешнего магнитного поля, создаваемого с помощью длинной катушки вокруг лазерной трубки. На электроны воздействует лоренцева сила, направленная перпендикулярно оси и радиальной составляющей движения. В результате этого движение из радиального направления отклоняется на круговую или спиральную траекторию, и разряд концентрируется как раз на оси. Это смягчает влияние плазмы на материалы лазерной трубки, что значительно повышает срок ее службы. Дополнительно увеличиваются скорость накачки и коэффициент полезного действия лазера. Высокие токи берутся из обогреваемых напрямую запасных катодов, а анодами могут служить охлажденные конструктивные элементы из мели.

При наличии больших токов в разряде происходит передача импульсов от электронов газу, и осуществляется дрейф газа в сторону катода. Для выравнивания возникающих градиентов давления вдоль трубки в медных дисках выполняются специальные отверстия. Газ в ионном лазере истощается, ибо разряд гонит ионы прямо в стенку. У коммерческих лазеров эта потеря газа компенсируется автоматически - из присоединенного резервуара. Давление газа находится на уровне 1 - 100 Па, причем, в отличие от многих других типов лазеров, здесь используется не смесь газов, а чистый аргон.

В отличие от гелий-неонового лазера, экранирующие эффекты не играют роли в создании инверсии населенностей, и здесь возможна лазерная трубка большого диаметра. Коэффициент усиления для линии 488 нм при длине 50см примерно составляет: G= 1,35. С учетом качества пучка его диаметр ограничивают величиной от 1,5 до 2 мм. Коэффициенты полезного действия здесь обычно менее 10-3

Благодаря применению лазерных зеркал с отражением в широком диапазоне одновременно достигается излучение на разных линиях. Для селекции отдельных длин волн используется брюстеровская призма в лазерном резонаторе. Во избежание потерь отражения при такой призме лучи падают на призматические поверхности под углом Брюстера (это угол полной поляризации). Другая сторона призмы ориентирована перпендикулярно пучку лазера, преломляемого на первой поверхности. Вертикальная задняя поверхность имеет высокое зеркальное покрытие. В зависимости от длины волны имеет место разное отклонение пучка в первой поверхности. Путем поворота призмы могут устанавливаться различные линии. Типовые мощности для коммерческого лазера 20 Вт с селекцией по длинам волн и без таковой представлены в таблице 1. Из-за высокой температуры в области разряда ширина линии составляет - по причине доплеровского уширения - до 6 ГГц. Без частотно-селективных элементов длина когерентности находится в сантиметровом диапазоне. Для применения в сфере голографии это значение увеличивается с учетом внутрирезонаторного эталона. В этом случае ширину полосы можно сократить до 5 МГц. Почти все коммерческие лазеры на инертном газе генерируют на основной ТЕМ00- моде. Несмотря на значительную нагрузку трубки со стороны высоких токов, ее срок службы достигает многих тысяч рабочих часов.

 

Ионные криптоновые лазеры

Разрядная трубка для криптоновых лазеров по своей конструкции очень похожа на трубку аргонового лазера. Но так как здесь во время работы газ истощается быстрее, чем у аргонового лазера, придется позаботиться о газовом резервуаре большей емкости. Самая интенсивная линия криптонового лазера находится на уровне 647 нм (красная) с мощностями в несколько ватт. Интенсивность прочих линий в значительной мере зависит от давления. Поэтому лазеры, допускающие селекцию отдельных линий, располагают активным контролем давления. Линии лазера Кr+ лежат между 337 и 799 нм (рис. 2). Умеренный кпд ионного лазера на криптоне требует более высокой плотности тока, чем это имеет место у аргонового лазера идентичной мощности. Дополнительно следует упомянуть усиленное рассеяние, поскольку ионы Кr тяжелее и обладают большей энергией. Поэтому большинство лазеров этого типа охлаждается водой, в то время как ионные аргоновые лазеры меньшей мощности обходятся воздушным охлаждением.

 

Области применения

Ионные лазеры на инертных газах относятся к разряду стандартных устройств для видимого непрерывного излучения в диапазоне от нескольких милливатт до 50 ватт. Особое значение аргоновые и криптоновые лазеры имеют при этом в красной и сине-зеленой областях спектра. Эти лазеры находят применение везде, где He-Ne- и He-Cd-лазеры оказываются недостаточно мощными. Особенно важным представляется их использование при лечении глаз в целях обработки сетчатки и для других медицинских целей. Среди прочих областей применения можно назвать полиграфическую промышленность (для экспонирования, изготовления видео- и аудиодисков), высокоскоростные лазерные принтеры, а также голографию. В результате смешения аргона и криптона получаются линии между красным и синим, которые могут смешиваться до достижения белого цвета: такие лазеры весьма популярны в создании разнообразных лазерных шоу. Кроме того, ионный аргоновый лазер используется для накачки лазеров на красителях и титан-сапфировых лазерных систем. При этом - путем соответствующей синхронизации мод - могут генерироваться импульсы в пико- и фемтосекундном диапазонах. Непрерывно перестраиваемые (сw)-лазеры также подлежат накачке с применением аргоновых лазеров.

 

 

В начало >>>