Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов
Обновлено: 04.10.2024
Основными лазерами, работающих на электронных переходах, являются лазеры, в которых рабочими газами являются молекулярный азот (азотный лазер) и молекулярный водород (водородный лазер). Схемы уровней N2иH2приведены на слайде.
При переходе между различными электронными состояниями основным правилом, определяющим вероятности переходов, является принцип Франка-Кондона. В соответствии с эти принципом наиболее вероятными переходами являются вертикальные переходы (без изменения межъядерного расстояния), происходящие в точках поворота.
В случае азотного лазера наиболее вероятными являются переходы с нулевого колебательного уровня основного Х-состояния на 0-й и 1-й колебательные уровни С-состояния. При этом вероятность переходов из Х-состояния в В-состояние практически равна нулю. Таким образом, между возбужденными уровнями С-состояния и уровнями В-состояния возникает инверсная населенность, причем переходы из С-состояния в В-состояния происходить могут.
Наиболее вероятными из них являются переходы с 0-го уровня С-состояния на 0-й уровень (длина волны 337.1 нм) и на 1-й уровень (357.7 нм) В-состояния, а также с 1-го уровня С-состояния на 0-й уровень В-состояния (315.9 нм). В каждом колебательном переходе, естественно, имеется при этом несколько вращательных компонент.
В водородном лазере наблюдается сходная картина. Однако для этого лазера возможно большее количество переходов из С-состояния в В-состояние. Поэтому диапазон длин волн генерации водородного лазера шире – примерно от 116 нм до 126 нм.
Одной из отличительной особенности возбужденных электронных состояний является их малое время жизни. Так, для азотного лазера это время составляет приблизительно 40 нс, а для водородного оно меньше 1 нс. Кроме того, времена жизни уровней В-состояния в обоих лазерах в несколько раз меньше времен жизни уровней С-состояния.
Отсюда вытекают два вывода. Во-первых, азотный и водородный лазер являются лазерами на самоограниченных переходах и могут работать только в импульсных режимах.
Во-вторых, вследствие малости времен жизни верхних лазерных уровней время существования инверсии составляет не более нескольких наносекунд. Соответственно, длительность импульса накачки не должна превышать это время. Но за эти времена излучение просто не успевает совершить двойной проход через резонатор. Поэтому говорить о наличии положительной обратной связи в таких лазерах не приходится, и эти лазеры фактически являются суперлюминесцентными.
Возбуждение верхних лазерных уровней в азотном и водородном лазерах осуществляется в электрическом разряде в процессах прямого столкновения молекул азота и водорода с электронами. Как правило, используется поперечный разряд. Плотность мощности накачки обычно составляет несколько кВт/см 3 при давлении газа в несколько десятков Торр. В случае азотного лазера выходная мощность может достигать единиц МВт, в случае водородного – единиц кВт, частота следования импульсов может достигать сотен кГц.
Интересной особенностью лазеров на самоограниченнвх переходах является высокая величина коэффициента усиления. Азотный лазер может работать вообще без зеркал – его излучение представляет фактически усиленное спонтанное излучение. Тем не менее, для снижения пороговых величин накачки, а также для получения направленного излучения и уменьшения его расходимости одно зеркало все же устанавливается.
Конструкция азотного лазера настолько проста, что этот лазер может работать вообще на атмосферном воздухе. Одна из основных проблем в этом случае связана с большой вероятностью возникновения дугового разряда. Эта проблема решается за счет уменьшения длительности накачки до времен порядка одной наносекунды.
Еще одним классом молекулярных газовых лазеров, работающих на переходах между электронными состояниями, являются эксимерные лазеры.
Эксимером (от excited dimer – возбужденный димер) называется молекула, которая может существовать только в возбужденном электронном состоянии. Для этого необходимо, чтобы потенциальная энергия основного электронного состояния была отталкивательной, а возбужденного – связанной.
Пример приведен на слайде для эксимера Xe. Идея получения лазерной генерации в эксимерах заключается в том, что если создать в объеме достаточно большую их концентрацию, то между связанным (верхний лазерный уровень) и основным (нижний уровень) электронными состояниями имеется инверсная населенность, причем населенность нижнего уровня всегда равна нулю, поскольку при переходе в нижнее состояние молекула прекращает свое существование.
Основные особенности эксимерных лазеров заключаются в следующем. Во-первых, поскольку при переходе из связанного состояния в отталкивательное молекула сразу же разваливается на два атома и перестает существовать, это означает, что населенность нижнего лазерного уровня всегда равна нулю.
Во-вторых, наличие колебательно-вращательной структуры верхнего состояния и отсутствие таковой структуры у нижнего состояния приводит к тому, что при переходе стандартное понятие колебательно-вращательной структуры отсутствует. Поэтому переходы осуществляются в широких спектральных диапазонах: ширина полосы излучения может быть до 10 нанометров.
Кроме того, имеются эксимеры, у которых потенциальная кривая нижнего состояния не является чисто отталкивательной, а имеет неглубокий минимум. Переходы между верхним связанным и инжним слабо-связанным состояниями в этом случае так и называются связанно-связанными. Попав в нижнее состояние, молекула эксимера быстро диссоциирует либо спонтанно, либо при столкновении с частицей или стенкой, поскольку кинетической энергии соударения оказывается достаточно для преодоления малого потенциального барьера.
Эксимерные лазеры можно разделить на две группы. К первой группе относятся лазеры, полученные на эксимерах инертных газов (Xe2,Ar2,Kr2). Во второй группе эксимеры образуются при соединении атома инертного газа с атомом галогена (ArF,XeF,XeCl,KrCl,KrF).
Высокая способность инертных газов к образованию эксимеров обусловлена тем, что в возбужденном состоянии их свойства становятся похожими на свойства щелочных металлов. Поэтому они легко вступают в связь типа ионной, например, с атомами галогенов.
Рассмотрим схемы накачки и характеристики для одного представителя из каждой группы.
В Xe2-лазере процесс образования эксимера ксенона происходит в электрическом разряде в результате нескольких столкновительных процессов. Сначала при столкновении невозбужденного атома Xe с электроном происходит его ионизация:
. (10.12)
Далее происходит тройное столкновение иона ксенона с двумя невозбужденными атомами ксенона с образованием молекулярного иона:
. (10.13)
После этого происходит образование двух возбужденных атомов ксенона:
. (10.14)
И, наконец, в результате еще одного тройного столкновения возникает эксимер ксенона:
. (10.15)
Молекула может оказаться в двух связанных близкорасположенных состояниях. Времена жизни этих состояний соответственного равны 5 нс и 40 нс.
Наличие тройных столкновений приводит к тому, что давление ксенона должно быть достаточно большим – в Xe-лазере оно составляет порядка 10 атмосфер. Существенно, что при переходе в отталкивательное состояние отсутствует какая-либо колебательно-вращательная структура. Поэтому генерация происходит в широком диапазоне – примерно от 170 нм до 175 нм. Длительность накачки составляет не более 1 нс, выходная мощность излучения достигает сотен МВт.
В случае KrF-лазера газовая смесь состоит из атомов криптона и молекулярного фтора, а последовательность реакций, приводящая к образованию эксимера KrF, следующая:
, (10.16)
, (10.17)
, (10.18)
, (10.19)
. (10.20)
Видно, что последняя реакция является тройной. Экспериментально установлено, что эффективность ее существенно увеличивается в столкновениях с гелием:
. (10.21)
Поэтому в KrF-лазере в смесь добавляется атомарный гелий.
Излучательные характеристики всех эксимерных лазеров достаточно близки. Отличаются только длины волн генерации, которые в заключении данного раздела представлены в таблице.
Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. Том 2
Батенин В.М., Бохан П.А., Бучанов В.В., Евтушенко Г.С., Казарян М.А., Карпухин В.Т., Климовский И.И., Маликов М.М.
Во втором томе книги рассмотрены лазеры на парах металлов и их химических соединений (галогенидов). Приводятся результаты исследований по генерации импульсов излучения с высокими частотами следования. Обсуждается физика лазеров, возбуждаемых пучками электронов, генерируемых открытым разрядом. Уделено внимание описанию и улучшению физических характеристик индуцированного излучения. Излагается способ повышения пиковой мощности импульсов излучения с использованием многопроходных усилителей. Представлены результаты работ по преобразованию излучения усилителей и лазеров на парах меди в ультрафиолетовое излучение. Особое место в книге занимает рассмотрение физических основ для перевода импульсного режима генерации лазеров на самоограниченных переходах в непрерывный и квазинепрерывный режимы различными способами. В приложении даны сведения о лазерах, собран материал, необходимый для расчета констант элементарных процессов и оценки реабсорбции спонтанного излучения в плазме. Книга адресована научным сотрудникам, инженерам, аспирантам и студентам высших учебных заведений.
Использование материалов ЭБ РФФИ
Воспроизведение материалов из ЭБ в любой форме требует письменного разрешения РФФИ. Пользователи вправе в индивидуальном порядке использовать материалы, находящиеся на сайте РФФИ, для некоммерческого использования.
Пользователь обязуется не осуществлять (и не пытаться получить) доступ к каким-либо материалам ЭБ иным способом, кроме как через интерфейс Сайта.
Пользователь обязуется не воспроизводить, не дублировать, не копировать, не продавать, не осуществлять торговые операции и не перепродавать материалы ЭБ для каких-либо целей.
Другие произведения авторов:
| № | Название | Автор | Рубрика | Номер гранта | Текст |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Акустооптические лазерные системы формирования телевизионных изображений | Гуляев Ю.В. и др. | физика и астрономия | 15-02-07008 | |
| 2 | Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. Том 1 | Батенин В.М. и др. | физика и астрономия | 09-02-07024 | |
| 3 | Электрофизика структурированных растворов солей в жидких полярных диэлектриках | Казарян М.А. и др. | физика и астрономия | 10-02-07031 | |
| 4 | Оптическое и лазерно-химическое разделение изотопов в атомарных парах | Бохан П.А. и др. | физика и астрономия | 09-02-0702 |
Другие произведения в разделе:
| № | Название | Автор | Рубрика | Номер гранта | Текст |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Номер 1, январь-февраль 2006 года | нет данных | физика и астрономия | нет данных | |
| 2 | Номер 1-2, январь-июнь 2009 г. | нет данных | физика и астрономия | нет данных | |
| 3 | Номер 2, июнь 2002 года | нет данных | физика и астрономия | нет данных | |
| 4 | Номер 2, июнь 2003 года | нет данных | физика и астрономия | нет данных | |
| 5 | Номер 2, март-апрель 2005 года | нет данных | физика и астрономия | нет данных |
© 1992–2022, Российский фонд фундаментальных исследований
Генератор наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов
Изобретение относится к мощной квантовой электронике и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов. Генератор содержит зарядное устройство, тиратронный коммутатор, три накопительных конденсатора, три нелинейные индуктивности, газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, обостряющую емкость, общую шину устройства и анодный реактор. Вывод зарядного устройства соединен с выводом анодного реактора и выводом первой нелинейной индуктивности, второй вывод которой соединен с общей точкой соединения двух последовательно соединенных накопительных конденсаторов. Второй вывод анодного реактора соединен с анодом тиратронного коммутатора, вывод первого накопительного конденсатора соединен с общей шиной устройства, а вывод второго накопительного конденсатора через вторую нелинейную индуктивность соединен с выводом третьего накопительного конденсатора, который через третью нелинейную индуктивность соединен с выводом обостряющего конденсатора и электродом газоразрядной трубки с параллельно подключенной индуктивностью. Второй электрод газоразрядной трубки через общую шину устройства соединен со вторым выводом третьего накопительного конденсатора, катодом тиратронного коммутатора и вторым выводом зарядного устройства. Технический результат: снижение коммутационных потерь в тиратронном коммутаторе и повышение энергетических показателей лазерного комплекса в целом. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области мощной квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов.
Известен импульсный лазер на парах химических элементов, содержащий газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, коммутатор и генератор запускающих импульсов. Дроссель резонансной зарядки через зарядный диод и накопительную емкость соединен с катодом газоразрядной трубки. Коммутатор электрически связан с накопительной емкостью. Генератор запускающих импульсов своим выходом электрически связан с управляющим электродом коммутатора. Высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутатора и анодом газоразрядной трубки. Устройство дополнительно содержит индуктивность и емкость. Емкость одним концом соединена с катодом коммутатора, а другим подключена в точку соединения дросселя резонансной зарядки и зарядного диода. Индуктивность включена между зарядным диодом и накопительной емкостью [Патент Российской Федерации № 2175158 С2, кл. H 01 S 3/097, опубл.20.10.2001, Бюл. № 29].
Недостатком данного устройства являются повышенные коммутационные потери тиратронного коммутатора и, как следствие, низкий ресурс его работы.
Известен блок возбуждения лазера на самоограниченных переходах атомов металлов, содержащий зарядное устройство, зарядный диод, тиратронный коммутатор, дроссель резонансной перезарядки, два последовательно соединенных накопительных конденсатора и газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью [В.М. Батенин, В.В. Бучанов, M.А. Казарян и др. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. - М.: Научная книга, 1998. - 544 с., с.144].
Недостатком данного устройства являются повышенные коммутационные потери тиратронного коммутатора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является генератор наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на парах меди, содержащий зарядное устройство, тиратронный коммутатор, два последовательно соединенных накопительных конденсатора, первую и вторую нелинейные индуктивности, газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, обостряющую емкость, а также общую шину устройства [Лепехин Н.М., Присеко Ю.С., Филиппов В.Г. // Прикладная физика, № 5, с.46-49, 2001].
Задачей изобретения является снижение коммутационных потерь тиратронного коммутатора, а также повышение энергетических показателей лазерного комплекса в целом.
Задача изобретения решается тем, что в генератор наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, содержащий зарядное устройство, тиратронный коммутатор, два последовательно соединенных накопительных конденсатора, первую и вторую нелинейные индуктивности, газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, обостряющую емкость, а также общую шину устройства, дополнительно введены анодный реактор, третий накопительный конденсатор и третья нелинейная индуктивность, при этом вывод зарядного устройства соединен с выводом анодного реактора и выводом первой нелинейной индуктивности, второй вывод анодного реактора соединен с анодом тиратронного коммутатора непосредственно, второй вывод первой нелинейной индуктивности соединен с общей точкой соединения двух последовательно соединенных накопительных конденсаторов, вывод первого из которых соединен с общей шиной устройства, а вывод второго накопительного конденсатора через вторую нелинейную индуктивность соединен с выводом третьего накопительного конденсатора, который через третью нелинейную индуктивность соединен с выводом обостряющего конденсатора и электродом (катодом) газоразрядной трубки, второй электрод (анод) газоразрядной трубки через общую шину устройства соединен со вторым выводом обостряющего конденсатора, вторым выводом третьего накопительного конденсатора, катодом тиратронного коммутатора и вторым выводом зарядного устройства.
Кроме того, величина емкости первого накопительного конденсатора относится к величине емкости второго накопительного конденсатора и величине емкости третьего накопительного конденсатора как 1:0,95:0,4, величины второй и третьей нелинейных индуктивностей в насыщенном состоянии соотносятся как 10:1.
Выходная мощность лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов в значительной степени определяется выходными параметрами генераторов наносекундных импульсов, а именно напряженностью электрического поля на газоразрядной трубке, амплитудой тока импульса накачки, его длительностью, крутизной фронта и частотой следования, что, в основном, определяется параметрами тиратронного коммутатора. Коммутационные потери в тиратронном коммутаторе резко возрастают как при увеличении амплитуды импульса тока анода и крутизны его переднего фронта, так и при увеличении частоты повторения импульсов. В свою очередь, увеличение коммутационных потерь резко снижает ресурс работы тиратронного коммутатора [Тиратрон импульсный. ПАСПОРТ 3.340.056.ПС].
В предлагаемом устройстве введение анодного реактора снижает как амплитуду импульса тока анода, так и длительность переднего фронта, таким образом, достигается снижение коммутационных потерь тиратронного коммутатора и повышение ресурса его работы. Но, с другой стороны, введение анодного реактора резко изменяет параметры разрядного контура и ухудшает характеристики генерации из-за большого влияния скорости нарастания возбуждающего импульса тока накачки на среднюю мощность генерации. Поэтому снижение амплитуды и увеличение длительности переднего фронта импульса тока в предлагаемом устройстве компенсируется введением третьего накопительного конденсатора и третьей нелинейной индуктивности, чем обеспечивается коррекция исходного и формирование требуемого импульса тока накачки.
Кроме того, повышение уровня генерации газоразрядной лазерной трубки, т.е. повышение энергетических показателей лазерного комплекса в целом, обусловлено, в большей степени, согласованием выходных параметров генератора наносекундных импульсов с параметрами газоразрядного канала. Соотношение емкостей первого, второго и третьего накопительных конденсаторов как 1:0,95:0,4, а второй и третьей нелинейных индуктивностей в насыщенном состоянии как 10:1 обеспечивают такое согласование параметров генератора и нагрузки, при котором уровень генерации газоразрядной лазерной трубки возрастает.
На чертеже представлена схема генератора наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов.
Устройство содержит зарядное устройство 1, анодный реактор 2, тиратронный коммутатор 3, первую нелинейную индуктивность 4, последовательно соединенные накопительные конденсаторы 5 и 6, вторую 7 и третью 8 нелинейные индуктивности, третий накопительный конденсатор 9, обостряющую емкость 10, газоразрядную трубку 11 с параллельно подключенной индуктивностью 12, а также общую шину устройства 13.
Устройство работает следующим образом. Перед началом рабочего импульса накопительные конденсаторы 5 и 6 заряжаются от зарядного устройства 1 через первую нелинейную индуктивность 4 и индуктивность 12 до некоторого амплитудного значения напряжения с полярностью, указанной на чертеже. После включения тиратронного коммутатора 3 в первый момент времени все напряжение на накопительном конденсаторе 5 (равное напряжению на выходе зарядного устройства 1) прикладывается к первой нелинейной индуктивности 4. Нелинейная индуктивность 4 представляет собой тороидальную катушку с кольцевым сердечником из ферромагнитного материала, который через некоторый интервал времени, определяемый материалом и сечением сердечника, числом витков обмотки сердечника и напряжением на накопительном конденсаторе 5, переходит в насыщенное состояние.
При насыщении сердечника величина нелинейной индуктивности 4 резко уменьшается, и дальнейший перезаряд конденсатора 5 определяется величиной характеристического сопротивления контура, образованного накопительной емкостью 5, нелинейной индуктивностью 4 в насыщенном состоянии, анодным реактором 2 и тиратронным коммутатором 3.
Перезаряд накопительного конденсатора 5 происходит до амплитуды, близкой к напряжению зарядного устройства 1, таким образом, вторая нелинейная индуктивность 7 оказывается под удвоенным потенциалом последовательно соединенных накопительных конденсаторов 5 и 6. Происходит насыщение сердечника второй нелинейной индуктивности 7.
Вторая 7 и третья 8 нелинейные индуктивности также выполнены на кольцевых сердечниках из ферромагнитного материала.
Вторая нелинейная индуктивность 7 подобрана так, что ее насыщение происходит в момент времени, соответствующий полной перезарядке накопительного конденсатора 5 до противоположного знака. В момент насыщения сердечника второй нелинейной индуктивности 7 происходит разряд накопительных конденсаторов 5 и 6 на третий накопительный конденсатор 9 с амплитудой тока, определяемой характеристическим сопротивлением контура, образованного накопительными конденсаторами 5, 6 и 9, а также нелинейной индуктивностью 7 в насыщенном состоянии. Таким образом, электрическая энергия последовательно соединенных накопительных конденсаторов 5 и 6 преобразуется в магнитную энергию нелинейной индуктивности 7 и, далее, преобразуется в электрическую энергию третьего накопительного конденсатора 9, но за время, значительно меньшее, чем время протекания импульса прямого анодного тока через тиратронный коммутатор 3.
После заряда третьего накопительного конденсатора 9 до амплитуды, примерно равной удвоенному напряжению зарядного устройства 1, происходит насыщение сердечника третьей нелинейной индуктивности 8. Параметры третьей нелинейной индуктивности 8 подобраны так, что ее насыщение происходит в момент времени, соответствующий полной зарядке третьего накопительного конденсатора 9. В результате обостряющая емкость 10, газоразрядная трубка 11 с параллельно подключенной индуктивностью 12 оказываются под напряжением на третьей накопительной емкости 9 и в газоразрядной трубке 11 формируется импульс тока требуемой амплитуды и длительности.
Перемагничивание ферромагнитных сердечников нелинейных ин-дуктивностей 4, 7 и 8 в обратном направлении происходит током заряда накопительных конденсаторов 5 и 6 от зарядного устройства 1 и не требует специальных цепей перемагничивания.
Обостряющая емкость 10 обеспечивает фронт импульса тока накачки. Индуктивность 12 служит как для заряда накопительного конденсатора 6, так и для закорачивания разрядного промежутка в газоразрядной трубке 11 в межимпульсный период, что создает необходимые условия для инверсной заселенности в разрядном накале.
Таким образом, на начальном этапе включения ток тиратронного коммутатора 3 не превышает величину тока намагничивания нелинейной индуктивности 4, а после насыщения сердечника нелинейной индуктивности 4 амплитуда тока тиратронного коммутатора 3 ограничена индуктивностью анодного реактора 2. В результате из-за уменьшения как скорости нарастания, так и амплитуды импульса анодного тока через тиратронный коммутатор 4 коммутационные потери уменьшаются, а ресурс его работы увеличивается.
При этом увеличение длительности и уменьшение амплитуды импульса анодного тока через тиратронный коммутатор 4, обусловленные введением анодного реактора 2, в предлагаемом устройстве компенсируются введением третьего накопительного конденсатора 9 и третьей нелинейной индуктивности 8.
Практическая реализация предлагаемого устройства была осуществлена в генераторе наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на парах меди, где в качестве тиратронного коммутатора использовался тиратрон ТГИ 2-1000/25К. В качестве нагрузки использовалась отпаянная саморазогревная газоразрядная трубка типа “KULON” LT-10CU. Величина емкости первого накопительного конденсатора 5 равна 1050 пФ, второго накопительного конденсатора - 6-1000 пФ, третьего накопительного конденсатора - 9-400 пФ. Величина второй 7 и третьей 8 нелинейной индуктивности в насыщенном состоянии соотносится как 10:1. В прототипе максимальная средняя мощность излучения при уровне зарядного напряжения на аноде тиратронного коммутатора 4, равном 10 кВ, и частоте следования импульсов накачки 15 кГц получена равной 15 Вт. Температура анода тиратрона при этом равнялась 165°С. В предлагаемом устройстве максимальная средняя мощность излучения, полученная на этой же трубке и при том же уровне напряжения на аноде тиратрона и частоте следования импульсов накачки, составила 16,4 Вт при температуре анода тиратронного коммутатора, равной 102°С.
Испытания предлагаемого устройства проводились в течение 1350 часов с циклом непрерывной работы в течение 8 часов. За время испытаний отказов в работе тиратрона не было.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет снизить температуру анода тиратронного коммутатора более чем на 60%, что косвенно свидетельствует о снижении коммутационных потерь и обеспечивает повышение ресурса работы тиратронного коммутатора. Следует отметить, что срок службы тиратронных коммутаторов, предназначенных для работы в импульсных лазерах на парах меди, не превышает 1000 часов.
Кроме того, повышение уровня генерации газоразрядной лазерной трубки примерно на 9% свидетельствует о более эффективной накачке газоразрядного накала, что свидетельствует о повышении энергетических показателей всего лазерного комплекса в целом.
1. Генератор наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, содержащий зарядное устройство, тиратронный коммутатор, два последовательно соединенных накопительных конденсатора, первую и вторую нелинейные индуктивности, газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, обостряющую емкость, а также общую шину устройства, отличающийся тем, что в него введены анодный реактор, третий накопительный конденсатор и третья нелинейная индуктивность, при этом вывод зарядного устройства соединен с первым выводом анодного реактора и первым выводом первой нелинейной индуктивности, второй вывод анодного реактора соединен с анодом тиратронного коммутатора непосредственно, второй вывод первой нелинейной индуктивности соединен с общей точкой соединения двух последовательно соединенных накопительных конденсаторов, вывод первого из которых соединен с общей шиной устройства, а вывод второго накопительного конденсатора через вторую нелинейную индуктивность соединен с выводом третьего накопительного конденсатора, который через третью нелинейную индуктивность соединен с выводом обостряющего конденсатора и электродом (катодом) газоразрядной трубки, второй электрод (анод) газоразрядной трубки через общую шину устройства соединен со вторым выводом обостряющего конденсатора, вторым выводом третьего накопительного конденсатора, катодом тиратронного коммутатора и вторым выводом зарядного устройства.
2. Генератор наносекундных импульсов по п.1, отличающийся тем, что величина емкости первого накопительного конденсатора относится к величине емкости последовательно соединенного с ним второго накопительного конденсатора и величине емкости третьего накопительного конденсатора как 1:0,95:0,4, а величины второй и третьей нелинейных индуктивностей в насыщенном состоянии соотносятся как 10:1.
1.8. Лазеры на самоограниченных переходах
Лазерами на самоограниченных переходах называются системы, инверсная заселенность которых исчезает в результате появления генерации. Такие лазеры могут работать только в импульсно-периодическом режиме. Наиболее типичным представителем этого класса являются газоразрядные лазеры на парах металлов. Генерация в них осуществляется на переходах между электронными уровнями. На рис. 38 изображена схема уровней атома меди — одного из наиболее перспективных рабочих веществ.
До начала разряда практически все атомы находятся в основном состоянии. Заселение электронных уровней осуществляется при протекании импульсного разряда. Максимальная скорость возбуждения имеет место, как правило, для первого резонансного уровня и существенно превышает скорость возбуждения других уровней, в том числе и метастабильных. Поэтому в первые моменты разряда, когда основную роль играют процессы возбуждения с основного состояния, между резонансным и метастабильным уровнями образуется инверсная заселенность и может осуществляться генерация. Время ее существования определяется радиационным временем жизни верхнего лазерного уровня относительно перехода на нижний уровень и составляет 10 -10 с. В разряде с большой концентрацией электронов это время может стать еще короче из-за девозбуждения верхнего лазерного уровня при ударах второго рода. На практике длительность генерации в таких системах составляет 10 -10 с. Девозбуждение нижнего лазерного уровня осуществляется в промежутках между последующими импульсами, и скорость этого девозбуждения, определяемая процессами в объеме газа и на стенке, ограничивает частоту повторения импульсов излучения.
Оптимальное давление паров металлов составляет обычно ~0,1-1 торр, что достигается лишь при высоких температурах рабочего вещества ~(1 — 2) 1000К .
Характерной особенностью лазеров на парах металлов является высокий коэффициент
усиления активной среды. В медных лазерах он достигает ~100 см и поэтому генерация в них при достаточной длине может возникать даже в отсутствие зеркал резонатора. Большой коэффициент усиления и короткие импульсные излучения позволяют получать достаточно высокие импульсные и средние мощности излучения при малых габаритах лазеров.
Характеристики некоторых импульсных лазеров на самоограниченных переходах металлов представлены в табл. 4. Наблюдаемое большое различие между обусловлено сложностями создания импульсов тока накачки с длительностями порядка длительности генерации. Схема устройства лазеров на парах металла практически не отличается от других лазеров с
газоразрядными трубками, однако, сама конструкция существенно усложняется из-за необходимости поддержания рабочего вещества при высокой температуре. Это обстоятельство приводит к созданию технологически сложных металлокерамических конструкций.
Один из способов устранения конструктивных и эксплуатационных недостатков лазеров на парах металлов заключается в использовании для получения рабочих атомов не самих металлов, а их молекулярных соединений с иодом, бромом и т. д. Так, например, использование разряда в галогенидах меди позволило получить хорошие характеристики лазера на парах меди при температуре ~800 К вместо 1800 К для металлической меди.
Лазеры на парах металлов в последнее время привлекают пристальное внимание специалистов в самых различных областях лазерной технологии. Благодаря возможности хорошей фокусировки и видимому диапазону спектра излучения медный лазер можно с успехом использовать для скрайбирования и резки тонколистовых материалов. Особый интерес он вызывает как источник накачки перестраиваемых лазеров на красителях, используемых в селективной технологии. Вместе с лазерами на парах золота медный лазер находит применение в медицине.
Генерация на самоограниченных переходах может осуществляться не только в атомах металлов, но и в молекулах некоторых газов, например N , Н . Наибольший интерес представляет азотный газоразрядный лазер. Благодаря излучению в ультрафиолетовой области спектра этот лазер находит применение при изучении и проведении различных селективных процессов, а также для накачки лазеров на красителях.
1.5.6. Атомные лазеры
Самым распространенным лазером на атомных переходах является Не - Ne- лазер . Этот лазер может работать в непрерывном режиме с малыми выходными мощностями . Он отличается небольшими размерами , простой и надежной конструкцией . В Не -N е - лазере возможна генерация на многочисленных переходах между электронными уровнями атома неона . Наиболее употребительны лазеры с длиной волны излучения 632,8 нм .
Создание инверсной населенности происходит в электрическом газовом разряде , причем заселение верхних уровней в основном происходит за счет неупругих столкновений с метастабильными атомами Не , которые возбуждаются при столкновениях с электронами .
Свойства Не -N е - лазера типичны для газовых лазеров и характеризуются большой длиной когерентности , высокой монохроматичностью , хорошим качеством пучка . Мощность гелий - неоновых лазеров обычно составляет 0,5 - 50 мВт и их использование связано , в основном , с измерительной техникой , голографией и т . д .
1.5.7. Лазеры на парах металлов
Среди лазеров на переходах в атомах лазеры на парах металлов занимают важное место . Дело в том , что металлы обладают наиболее подходящей
структурой энергетических уровней с точки зрения получения высокого квантового КПД . В качестве лазерного обычно используется переход из резонансного в метастабильное состояние . Такие лазеры могут работать только в импульсном режиме , так как время жизни нижнего состояния больше , чем верхнего и получили название лазеров на самоограниченных переходах .
В настоящее время получена генерация на парах многих металлов - меди , золота , свинца , марганца , таллия , висмута , железа , бария , кальция , стронция и других . Промышленное значение имеют в основном лазеры на парах меди и меди - золота . Лазеры на парах меди дают излучение в зеленой (510,6 нм ) и желтой (578,2 нм ) областях спектра . В присутствии паров золота появляется красная линия (627,8 нм ), т . е . излучение лазера становится трехцветным . Такие лазеры имеют среднюю мощность излучения до 20 Вт , а импульсную - до 200 КВт при длительности импульса 20 - 30 нс . Трудности создания лазеров на
парах металлов обусловлены высокой рабочей температурой ( до 1700 К )
активного объема и необходимостью обеспечения мощных коротких импульсов накачки в газовом разряде при частоте повторения в десятки килогерц .
1.5.8. Ионные лазеры
В ионных лазерах генерация осуществляется на электронных переходах в ионах . Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер , в котором генерация может происходить на нескольких длинах волн в диапазоне от 454 до 528 нм . Заселение верхнего лазерного уровня происходит при электронных ударах . Накачка осуществляется мощным дуговым разрядом для создания высокой степени ионизации . Нижний лазерный уровень обладает очень коротким временем жизни , что обеспечивает высокую инверсность населенности . Мощность аргоновых лазеров достигает 500 Вт в непрерывном режиме при КПД порядка 0,1%. Из других ионных лазеров следует отметить криптоновые и гелий - кадмиевые . Заселение верхнего лазерного уровня иона
кадмия осуществляется при столкновениях метастабильных атомов гелия с атомами кадмия . Возможны два лазерных перехода с длинами волн 325 и 441,6 нм .
1.5.9. Молекулярные лазеры
Генерация лазерного излучения была получена на большом количестве молекул и их излучение охватывает ультрафиолетовый , видимый и инфракрасный диапазон спектра . Рассмотрим некоторые наиболее часто используемые типы молекулярных лазеров .
Газовые лазеры в УФ - диапазоне (N 2 и Н 2 лазеры ) . Азотный лазер является высокомощным лазером с коротким временем нарастания импульса , с высокой частотой следования импульсов . Из - за незначительного времени жизни
Н 2 - лазер является мощным импульсным лазером в вакуумном УФ - диапазоне ( рабочие длины волн 116, 123, 160 нм ) с малой длительностью импульса . По принципу действия он аналогичен азотному .
1.5.10. Эксимерные лазеры
Класс импульсных газовых лазеров , объединенных названием " эксимерные ", возник сравнительно недавно . Лазеры этого класса работают 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 ( рис .1.14). Такие молекулы существуют только в возбужденном состоянии , откуда и происходит название этого типа лазеров . Особенности работы этого лазера состоят в следующем .
В результате процессов в возбужденном газе образуется эксимерная молекула в электронно - возбужденном состоянии на некотором колебательном уровне . Линия излучения такой молекулы относительно широка . Ширина
линии испускания перехода в эксимерном лазере на несколько порядков превышает значение этой величины для других типов лазеров .
Читайте также: