Ионные лазеры принцип работы. Ионные лазеры, ионные аргоновые лазеры, ионные криптоновые лазеры. Лазер Варио Ракурс. Лазеры для коротковолновой области

По сравнению с нейтральными атомами шкала энергетических уровней ионизованного атома является более широкой. Действительно, в этом случае каждый электрон атома испытывает влияние поля положительного заряда ядра - атомный номер элемента, заряд электрона), экранированного отрицательным зарядом оставшихся электронов. Таким образом, результирующий эффективный заряд равен , в то время как в случае нейтрального атома он равен только е. Это расширение энергетической шкалы приводит к тому, что ионные лазеры обычно работают в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Как и лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры можно разделить на две категории: 1) ионные газовые лазеры, использующие большинство инертных газов,

среди которых наиболее замечательным примером является лазер; 2) лазеры на парах металлов, в которых применяются различные металлы среди этих лазеров выделяется Не-Cd-лазер.

6.3.2.1. Аргоновый лазер

Упрощенная схема участвующих в генерации уровней энергии в аргоновом лазере приведена на рис. 6.11. Основное состояние иона получается путем удаления одного из шести -электронов внешней оболочки аргона. Возбужденные состояния возникают, когда один из оставшихся -электронов забрасывается на уровни соответственно . С учетом взаимодействия с остальными -электронами оба уровня обозначенные на рис. 6.11 как простые уровни, на самом деле состоят из нескольких уровней (соответственно 9 и 2). Возбуждение верхнего лазерного -уровня происходит посредством двухступенчатого процесса, включающего в себя столкновения с двумя различными электронами. При первом столкновении аргон ионизируется, т. е. переходит в основное состояние иона Находящийся в основном состоянии ион испытывает второе столкновение с электроном, что может привести к следующим трем различным процессам: 1) непосредственное возбуждение иона на -уровень (процесс а на рис. 6.11); 2) возбуждение в более высоко лежащие состояния с последующими каскадными излучательными переходами на уровень (процесс на рис. 6.11); 3) возбуждение на

Рис. 6.11. (см. скан) Уровни энергии иона участвующие в лазерной генерации.

метастабильные уровни с последующим третьим столкновением с электроном, приводящим к возбуждению на -уровень (процесс с на рис. 6.11). Поскольку процессы 1 и 2 включают в себя два этапа, связанных со столкновениями с электронами, следует ожидать, что скорость накачки в верхнее состояние будет пропорциональна квадрату плотности тока разряда. Действительно, скорость накачки верхнего состояния должна иметь вид

где - плотности электронов и ионов в плазме в плазме положительного столба). Так как электрическое поле в разряде не зависит от разрядного тока, плотность электронов пропорциональна плотности разрядного тока [см. (3.39)] и из выражения (6.4) следует, что . Можно показать, что при высоких плотностях тока рассмотренный выше процесс 3 также приводит к тому, что скорость накачки пропорциональна Таким образом, накачка резко возрастает с увеличением плотности тока и для того, чтобы рассмотренный выше малоэффективный двухступенчатый процесс позволил закачать достаточно ионов в верхнее состояние, необходимы высокие плотности тока Этим можно объяснить, почему первый запуск -лазера произошел спустя около 3-х лет после запуска Не-Ne-лазера (Бриджес, 1964 ). Ион будучи заброшен на верхний лазерный уровень может релаксировать на уровень посредством быстрой излучательной релаксации. Однако следует заметить, что релаксация из нижнего лазерного -уровня в основное состояние происходит за время, которое примерно в 10 раз короче. Таким образом, условие непрерывной генерации выполняется.

Из сказанного выше следует, что генерацию в аргоновом лазере следует ожидать на переходе Так как оба уровня на самом деле состоят из многих подуровней, аргоновый лазер может генерировать на многих линиях, среди которых наиболее интенсивными являются зеленая нм) и синяя нм). Из измерений спектра спонтанного излучения было найдено, что доплеровская ширина линии например зеленого перехода, составляет около 3500 МГц. Это означает, что температура ионов, определяемая в соответствии с выражением (2.78), равна Иными словами, ионы являются очень горячими благодаря их ускорению в электрическом поле разряда. Относительно широкая доплеровская ширина линии также приводит к тому, что в режиме синхронизации мод в аргоновом лазере наблюдаются сравнительно короткие импульсы см. табл. 5.1).

На рис. 6.12 приведена схема устройства современного мощного аргонового лазера. Заметим, что как плазменный ток, так и лазерный пучок ограничиваются металлическими (вольфрамовыми) дисками, помещенными в керамическую трубку большего диаметра. Использование такой теплопроводной и изолирующей металлокерамической комбинации необходимо для того, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность трубки и в то же время ослабить проблемы, связанные с эрозией вследствие высокой температуры ионов.

Рис. 6.12. Схематическое изображение мощной аргоновой лазерной трубки с водяным охлаждением.

Диаметр центральных отверстий в дисках делается небольшим , чтобы сосредоточить генерацию в -моде (для резонатора обычно применяются вогнутые зеркала с большим радиусом кривизны) и чтобы уменьшить необходимое значение полного тока. В аргоновых лазерах приходится решать проблему катафореза атомов аргона. В самом деле, вследствие высокой плотности тока наблюдается значительная миграция ионов в сторону катода. Вблизи катода ионы нейтрализуются электронами, эмиттированными с поверхности электрода, и нейтральные атомы стремятся скапливаться в прикатодной области. Для преодоления этой трудности в дисках делают дополнительные смещенные от центра отверстия, чтобы обеспечить за счет диффузии путь для возвращения атомов от катода к аноду. Отверстия проделываются таким образом, чтобы через возвратные отверстия не шел ток за счет того, что длина образующихся путей больше, чем длина пути через центральные отверстия. Внутренняя керамическая трубка охлаждается водой для отвода большого количества тепла, которое неизбежно выделяется в трубке (несколько Заметим также, что в области разряда параллельно оси к трубке прикладывается постоянное магнитное поле. В такой конфигурации сила Лоренца уменьшает скорость

диффузии электронов к стенкам. В результате этого число свободных электронов в центре трубки увеличивается и, следовательно, возрастает скорость накачки. Это позволяет объяснить наблюдаемое увеличение выходной мощности в случае, когда прикладывается внешнее магнитное поле. Удерживая разряд вблизи оси трубки, магнитное поле также уменьшает разрушение стенок. Заметим, что в мощных лазерах 1 Вт) зеркала монтируются снаружи трубки, чтобы ослабить деградацию зеркального покрытия под воздействием вакуумного УФ-излучения, испускаемого плазмой. У маломощных лазеров трубка обычно изготавливается из керамического блока, в котором для разряда просверливается центральное отверстие. В этом случае магнитное поле отсутствует, трубка охлаждается воздухом, а зеркала, как и в Не-Ne-лазере, впаиваются в концы трубки.

Промышленностью изготавливаются аргоновые лазеры с водяным охлаждением мощностью генерирующие на синем и зеленом переходах одновременно или только на одной линии при использовании конфигурации рис. 5.4, а. Также выпускаются маломощные аргоновые лазеры с воздушным охлаждением. В обоих случаях выходная мощность над порогом резко увеличивается с ростом плотности тока , так как в аргоновом лазере, в противоположность тому, что происходит в Не-Ne-лазере, нет процессов, приводящих к насыщению инверсии. Однако КПД лазера очень мал поскольку мала квантовая эффективность (~ 7,5 %; см. рис. 6.11) и возбуждение электронным ударом происходит на множестве уровней, которые не связаны эффективным образом с верхним лазерным уровнем. Аргоновые лазеры широко используются для накачки непрерывных лазеров на красителях, для множества научных применений (взаимодействие излучения с веществом), в лазерных принтерах, в лазерной хирургии и в техническом оснащении развлекательных программ.

В заключение данного раздела упомянем -лазер, который получил наиболее широкое распространение среди множества остальных ионных лазеров. Он также генерирует на многих длинах волн, среди которых наиболее интенсивной является красная (647,1 нм).

Ионные лазеры примечательны тем, что дают высокоинтенсивное излучение в видимой и ближней УФ областях. В качестве активных частиц здесь выступают ионы инертных газов.

Наиболее типичным представителем (и наиболее применяемым в медицине) является лазер на ионах аргона (Ar +). Этот лазер дает самое интенсивное непрерывное излучение в видимом диапазоне из всех известных лазеров. Поскольку излучающими частицами являются ионы, а не нейтральные частицы, для достижения порога генерации требуются высокие плотности тока. Газовый разряд здесь выполняет две задачи: обеспечивает высокую концентрацию ионов, фабрикуя ионы из нейтральных атомов, и возбуждает полученные ионы на нужные энергетические уровни. Упрощенная схема рабочих уровней аргонового лазера представлена на рисунке 8.7.

Эффективность двухступенчатого процесса создания инверсии пропорциональна по крайней мере квадрату тока разряда, поскольку эффективность каждого из процессов (ионизация и возбуждение) пропорциональна самому току. Возбуждение 4p и 4s уровней иона Ar + происходит из основного состояния иона 3p 5 :

Ar + e ® Ar + + 2e; Ar + + e ® (Ar +)* + e (8.1)

За возбуждение ответственны столкновения ионов с электронами. Если плотность ионов в основном состоянии N i , а электронов N е, то скорость накачки:

L = dN/dt ~ N i N e » N e 2 (8.2)

Условие N i » N е означает нейтральность плазмы в целом. Но, поскольку в стационарном состоянии N е ~I (I – плотность тока), L~I 2 . Полуэмпирическая формула, следующая из этих простых соображений, дает для выходной мощности аргонового лазера:

P/V = 10 -5 J 2 (8.3)

где Р/V [Вт/см 3 ] - объемная плотность мощности на всех излучающих модах, J - плотность разрядного тока.

Наряду с накачкой верхнего уровня необходимо заботиться об опустошении нижнего. Для ионов аргона соотношение времени жизни рабочих уровней 3p 4 4p и 3p 4 4s неблагоприятно (без внешних факторов нижний уровень является более долгоживущим). Помогает наличие УФ излучения с нижнего уровня с длиной волны около 72 нм. Такой радиационный распад нижнего уровня обеспечивает необходимые условия для инверсии.

Излучение в аргоне получено на 10 линиях перехода между состояниями 4p и 4s , наиболее интенсивными из которых являются линии 514,5 нм (зеленая) и 488,0 нм (синяя). КПД аргонового лазера, ограниченный сверху квантовым пределом ~7% (что следует из схемы уровней), составляет тот же порядок, что и для He-Ne лазера (0,1 – 0,05)%. Оценочно можно считать, что на каждый Вт выходной мощности приходится не менее 1 кВт потребляемой (для отечественных лазеров - не менее 5 кВт).

Для получения высокой плотности тока используются трубки малого диаметра. Разряд в данном случае не является чисто тлеющим, где степень ионизации очень мала, он ближе к дуговому. Высокая концентрация активных частиц дает возможность получать примерно в 1000 раз бóльшие уровни выходной мощности, чем в He-Ne смеси при тех же давлениях и длинах активной среды.

Ионные газовые лазеры были созданы практически одновременно во многих лабораториях, как в СССР, так и в США, в 1963-64 гг., поэтому затруднительно указать приоритетную разработку. Важно отметить, что их появление было предопределено объективными потребностями в получении когерентного излучения большой мощности в видимом диапазоне, причем в непрерывном режиме.

Ввиду больших плотностей тока и малого КПД тепловая нагрузка на активный элемент Ar + -лазера оказывается очень большой. Поэтому разработчикам Ar + -лазеров приходится сталкиваться с весьма серьезными техническими проблемами. Ионная температура в разряде составляет ~ 3000 К (ее можно с достаточной степенью точности оценить по доплеровской ширине линии лазера, составляющей ~ 3500 МГц). Это означает, что электроды и стенки подвергаются интенсивной бомбардировке тяжелыми ионами и претерпевают в процессе работы внушительную эрозию.

Но разогрев и эрозия - это еще не все беды ионных лазеров. Ввиду большой плотности тока ионы Ar + усиленно диффундируют от анода к катоду, что приводит к появлению продольных градиентов давления, расслоению газа в столбе разряда и срыву разряда вообще. Так что разработчикам аргоновых лазеров поначалу было впору схватиться за голову от обилия технологических проблем.

Тем не менее, к чести инженеров и конструкторов, были найдены весьма остроумные и изящные технические решения, позволившие если не решить, то в значительной мере смягчить эти проблемы.

Так, необходимость максимально эффективного теплоотвода заставила весьма взыскательно отнестись к выбору материала газоразрядных трубок. Традиционный термостойкий материал - плавленый кварц - выдерживает не более 500 часов работы. Значительно лучшие результаты обеспечивают керамические материалы, в частности, бериллиевая керамика (BeO). Активные элементы с разрядными каналами из BeO имеют срок службы до 5 тыс. часов, что сравнимо с неон-гелиевыми лазерами.

Но срок службы удлиняется не только за счет выбора материала. Чтобы уменьшить число столкновений ионов со стенками трубки, ее помещают в продольное магнитное поле - в соленоид, соосный с оптической осью. Сильное магнитное поле не только оберегает стенки трубки, но и увеличивает КПД накачки, заставляя ионы чаще сталкиваться и лучше возбуждаться.

Катофорез (диффузия ионов на катод) компенсируется не менее остроумным способом: газоразрядная трубка снабжается обводным каналом, обеспечивающим циркуляцию газа и тем самым «обманывающим» диффузию: ионы как бы «утаскиваются» из-под катода и перетекают в прианодную область. Правда, здесь сразу же пришлось натолкнуться на неприятность: при поджиге разряд легче зажечь по обводному каналу, а не по рабочему промежутку (диаметр обводного канала значительно больше), что, конечно недопустимо. Поэтому приходится делать обводной канал с длиной, существенно превышающей длину основного канала. Обычно это реализуется в виде спиральной трубки из кварца, окружающей разрядный промежуток. Итак, излучатель аргонового лазера, схематично изображенный на рисунке 8.8, имеет довольно сложную конструкцию.

Наибольшее распространение получили Ar + -лазеры непрерывного действия с уровнем выходной мощности от 1 до 20 Вт (на всех линиях от 451,5 до 514,5 нм). Такой «частокол» линий (10) не всегда удобен, поэтому часто Ar + -лазеры снабжаются дисперсионными элементами (призмы, дифракционные решетки). Если говорить о рекордных уровнях мощности Ar + -лазеров, то в непрерывном режиме они могут достигать сотен Вт, но в медицине такие монстры не применяются.

Тепловая нагрузка на активный элемент может быть существенно снижена в импульсном режиме, вплоть до отказа от водяного охлаждения. Такие лазеры представляют несомненный интерес для медицины (подробнее об этом в разделе 4). Однако в импульсном режиме для аргоновых лазеров мощную конкуренцию составляют лазеры на твердом теле, работающие на второй гармонике, а также волоконные лазеры, существенно превосходящие и те, и другие по большинству эксплуатационных характеристик.

ЛИТЕРАТУРА к лекции 8.

1. Н.В. Карлов. «Лекции по квантовой электронике».

2. У. Беннет. Газовые лазеры (обзор).

3. O. Звелто. «Принципы лазеров».

4. В.С. Летохов, В.П. Чеботаев. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения.―М., 1990, 512 с.

5. В.Е. Привалов//Лазер-Информ, 2006, № 19-20, с.5.

6. П.С. Крылов, В.Е. Привалов//Письма в ЖТФ, 2005, 31 , вып. 5, с.7.

7. Райзер Ю.П. // Соросовский образовательный журнал, 1997, N o 8, с. 99–104.

Естественным шагом вперед в развитии газовых лазеров было включение в число активных сред наряду с газами, состоящими из нейтральных атомов, также ионизованных и молекулярных газов. Молекулярные лазеры рассмотрены в следующей главе.

О достижении импульсной лазерной генерации в парах ртути II на длине волны первым сообщил Белл в 1964 г. . В спектроскопии число, обозначенное римской цифрой, если его уменьшить на единицу, означает кратность ионизации. Таким образом символ обозначает пары ртути в атомарном негонизо-ванном состоянии, II - в состоянии однократной ионизации. В апреле того же года Бриджес }