Лазеры на нейтральных атомах

     Генерация получена более чем на 450 различных переходах между уровнями нейтральных атомов 29 химических элементов. Активная среда лазера на нейтральных атомах – слабо ионизированная плазма в положительном столбе тлеющего разряда, который осуществляется в газоразрядной трубке. В каждом конкретном случае ток разряда, диаметр газоразрядной трубки и состав газовой смеси и давление требует оптимизации. Устойчивый самостоятельный электрический разряд удается поддерживать в весьма разреженных газовых средах, давление в которых составляет единицы мм ртутного столба.

     Для ряда переходов нейтральных атомов получена генерация в импульсном разряде. В результате лавинной ионизации плотность тока при импульсном разряде может достигать 300 А/см². По окончании импульсного разряда возникает послесвечение, сопровождающее быструю термализацию электронов, происходящая с участием долгоживущих ионов и возбужденных атомов. Как в чистых газах, так и в газовых смесях эти процессы приводят к генерации с высоким коэффициентом усиления и большой пиковой мощностью, но с малой эквивалентной средней мощностью генерации. Условия возбуждения атомов в таком разряде зависят от величины рассеиваемой мощности, давления газа, напряжения пробоя газа, а также формы и расположения электродов.

         

Гелий-неоновый лазер

 

     Гелий-неоновые лазеры, излучающие непрерывное излучение в красном диапазоне видимого спектра l = 0,6328 мкм находят широкое применения:

- для юстировки лазерной и оптической аппаратуры,

-  в разнообразных интерференционных измерениях,

-  в медицине для терапии низко интенсивным лазерным излучением,

-  для демонстрации явлений дифракции, интерференции и других оптических явлений в учебных целях.

Период колебаний излучения специального одночастотного гелий-неонового лазера, стабилизированного по частоте, служит эталоном времени, а длина волны его излучения – эталоном длины. Независимые измерения частоты и длины волны излучения такого лазера дают самое точное из известных значение важнейшей фундаментальной физической константы – скорости света в вакууме (с = ln).

 

Рис. 11.2. Схема первого гелий-неонового лазера, созданного Джаваном с сотрудниками [1].

 

В первом гелий-неоновом лазере, генерирующем непрерывное излучение и созданном в 1961 г., (через несколько месяцев после создания первого рубинового лазера), газовый разряд возбуждался напряжением высокой частоты около 30 МГц. Разрядная трубка длиной около метра была заполнена гелием и неоном под общим давлением около 1 мм рт.ст. Цилиндрические электроды, присоединенные к генератору высокой частоты, размещались снаружи трубки. Два плоские диэлектрические зеркала имели коэффициент отражения близкий к 1 на рабочей длине волны 1.15 микрона. Возможность юстировки внутренних зеркал лазерного резонатора обеспечивало крепление держателей герметично закрепленных зеркал к газоразрядной трубке с помощью сильфонов.

 Позднее на гелий-неоновой смеси была получена генерация на 0,63 и 3,39 мкм, а также на ряде других длин волн.

 

 

Рис. 11.3. Схема гелий-неонового лазера первого поколения.

 

Чтобы электроды газоразрядной трубки не перекрывали световой луч, их выносят в сторону от оптической оси трубки. При использовании в лазере внешних зеркал резонатора для устранения потерь на окошках газоразрядной трубки их располагают под углом Брюстера. При этом условие генерации выполняется для световых волн, напряженность электрической составляющей поля которых линейно поляризована в плоскости рисунка.

 Световые потери на брюстеровских окошках возрастают в результате осаждения на оптических поверхностях пыли и загрязнений из воздуха. Это приводит к уменьшению мощности генерации или даже к ее прекращению, так как усиление активной среды составляет всего несколько процентов за один проход. Поэтому поверхности зеркал резонатора и брюстеровские окошки газоразрядной трубки в промышленно выпускаемых лазерах герметизируют.

Газоразрядные трубки типа показанного на рис. 11.3 не отличаются высокой долговечностью. Постепенно гелий улетучивается через стенки трубки и оптимальное соотношение гелия и неона нарушается, что приводит к уменьшению оптического усиления и лазер перестает генерировать, хотя тлеющий разряд в трубке продолжает поддерживаться.

В современных конструкциях гелий-неоновых лазеров вернулись к газоразрядным трубкам с внутренними зеркалами, которые после юстировки крепятся к ее торцам с помощью герметика. Для повышения долговечности трубки объем газа в ней увеличивают. Для этого активный элемент лазера изготавливают в виде двойной цилиндрической трубки. Внутренняя трубка имеет оптимальный диаметр. Внешняя трубка значительно большего диаметра содержит балластный объем газовой смеси.

Генерация на длине волны 3,39 мкм происходит при переходах атомов неона между уровнями 3S и 3p. Верхний уровень для этого перехода и для перехода 0,63 мкм совпадает (см. рис. 11.4). Коэффициент усиления активной среды на 3,39 мкм значительно превосходит усиление на 0,63 мкм. Поэтому, если не принимать специальных мер, генерация начинается на линии 3,39 мкм, препятствуя возникновению генерации на красной линии. Для подавления этой паразитной генерации, опустошающей верхний лазерный уровень, необходимо увеличивать потери лазерного резонатора на длине волны 3,39 мкм. Для лазеров с относительно малой длиной газоразрядной трубки достаточные потери вносят стеклянные или кварцевые брюстеровские окошки, поглощающие свет с длиной волны 3,39 мкм. При этом порог генерации на 3,39 мкм становится выше, чем на 0,63 мкм.

Для подавления генерации на длине волны 3,39 мкм в лазерах с внутренними зеркалами следует использовать специальные покрытия для зеркал, обладающие малым коэффициентом отражения на этой длине волны и высоким коэффициентом отражения на рабочей длине волны 0,63 мкм.

Рис. 11.4. Схема энергетических уровней неона и гелия, участвующих в процессах лазерной генерации.

 

В гелий-неоновом лазере генерация происходит на переходах между возбужденными уровнями нейтральных атомов неона, показанных на рис.11.4. Давление буферного газа – гелия устанавливают примерно в 10 раз выше давления неона при общем давлении ~ 1 мм рт. ст. Инверсия населенностей в гелий-неоновой смеси возникает, когда скорость заселения верхних рабочих уровней превышает скорость заселения нижних уровней в тлеющем газовом разряде. Решающим фактором при этом является резонансная передача энергии от гелия к неону. Неупругие столкновения атомов гелия и неона приводят к возбуждению верхних лазерных уровней неона. Этот процесс обусловлен:

- метастабильностью возбужденных состояний S гелия (дипольные переходы между S – состояниями гелия запрещены, в результате чего в разряде поддерживается высокая концентрация возбужденных атомов гелия);

- перекрытием спектральных линий гелия и неона;

- малой вероятностью обратной передачи возбуждения от неона к гелию из-за низкой концентрации атомов неона по сравнению с гелием.

Из диаграммы энергетических уровней гелия и неона, показанной на рис.11.4 видно, что лазерные переходы происходят между высоко расположенными возбужденными уровнями неона. Поэтому эффективность накачки лазера на этой смеси невысока и составляет всего доли процента.

Спонтанные переходы в основное состояние из полос S в неоне запрещены в дипольном приближении. Релаксация нижних лазерных уровней p происходит за счет излучательных переходов в полосу 1S. Атомы, находящиеся в состоянии 1S, сталкиваясь с электронами разряда, возвращаются обратно на нижний лазерный уровень 2р, уменьшая уровень инверсной населенности. Этот процесс ограничивает коэффициент усиления активной среды при генерации на линиях 1,15 и 0,63 мкм, для которых уровень 2р является нижним лазерным.

 Релаксация уровня 1S происходит в основном за счет столкновений атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Именно поэтому мощность генерации гелий-неонового лазера обратно пропорциональна диаметру газоразрядной трубки. Существует оптимальный диаметр газоразрядной трубки. Он определяется конкуренцией двух факторов: при уменьшении диаметра трубки возрастает коэффициент усиления, однако при этом возрастают и дифракционные потери резонатора. Оптимальный диаметр газоразрядной трубки гелий-неонового лазера, работающего на красной линии 0,63 мкм, составляет ~ 1 мм.

Наиболее популярная длина волны гелий-неоновых лазеров, используемых на практике, лежит в красном диапазоне видимого спектра – 0,6328 мкм. Коэффициент усиления гелий-неоновой смеси в оптимальных условиях составляет ~ 10^-3 см^-1. Поэтому лазеры этого типа генерируют сравнительно низкую мощность излучения, а резонатор должны образовывать зеркала с максимально высоким коэффициентом отражения: глухое зеркало - 99,8%, а выходное зеркало резонатора - 98%. Мощность генерации лазера на этой длине волны с длиной газоразрядной трубки 50… 70 см обычно составляет ~ 20 мВт. Для получения более высокой мощности (до 100 мВт) длину газоразрядной трубки надо увеличивать до 1,5 … 2 м. КПД гелий неонового лазера не превышает 0,1%.

     Другие длины волн, которые генерируют гелий-неоновые лазеры, 1,15 и 3,39 мкм находятся в инфракрасном диапазоне. Для наблюдения и регистрации излучения на этих длинах волн необходима специальная аппаратура, поэтому лазеры, генерирующие эти длины волн, используют лишь в специальных целях.

Стандартные промышленные гелий неоновые лазеры, работающие на красной линии 0,63 мкм, генерирует многочастотное излучение, спектр которого в зависимости от длины резонатора L содержит от 2 до 12 дискретных эквидистантных частот. Общая ширина огибающей спектра – 1,5 ГГц определяется шириной спектрального контура усиления неона. Ширина спектрального контура отдельной спектральной линии спектра составляет порядка 100 кГц.

 Для получения одночастотного режима генерации интервал между дискретными частотами спектра, равный с/2L должен превышать Dn³1,5 ГГц – ширину спектрального контура усиления активной среды. Такому частотному интервалу соответствует длина резонатора менее ~ 15 см. Гелий-неоновый лазер с такой короткой газоразрядной трубкой обладает малым усилением и генерирует слишком малую мощность, которая недостаточна для большинства практических применений. Резонатор малой длины используют лишь в одночастотных лазерах со стабилизацией частоты излучения, где мощность генерации не столь важна.

 Для генерации более 5 мВт световой мощности длина газоразрядной трубки должна превышать 30 см. При этом спектр лазера будет содержать две или более дискретные частоты, отстоящие друг от друга на расстоянии с/2L.

При интерференционных измерениях существенна длина когерентности излучения. Если разность хода интерферирующих лучей превышает длину когерентности излучения лазера, то интерференционные измерения становятся невозможными.

Длину когерентности измеряют с помощью интерферометра Майкельсона. Длина когерентности это расстояние, на которое надо сдвинуть зеркало интерферометра, чтобы видность интерференционных полос уменьшилась от 1 до 0,5.

Зависимость сигнала на выходе интерферометра от разности хода лучей в интерферометре называют автокорреляционной функцией (АКФ). АКФ представляет собой осциллирующую функцию. Быстро изменяющаяся составляющая АКФ связана с прохождением интерференционных полос, мимо фотоприемника. Интерференционные полосы на выходе интерферометра сдвигаются при смещении одного из зеркал интерферометра относительно его оптической оси. Быстро изменяющаяся составляющая АКФ находится под некоторой огибающей, так как амплитуды интерференционных полос и видность интерференционной картины в общем случае уменьшаются при сдвиге зеркала относительно положения с нулевой разностью хода лучей в интерферометре Майкельсона.

Полуширина огибающей АКФ и определяет длину когерентности излучения. Полуширина АКФ одночастотного гелий-неонового лазера составляет многие километры. Огибающая автокорреляционной функция многочастотного лазерного излучения периодически изменяется с ростом разности хода лучей в интерферометре Майкельсона, с помощью которого эта функция измеряется. Период АКФ равен двойной длине лазерного резонатора. Период АКФ, деленный на число дискретных частот в спектре излучения лазера, равен длине когерентности. Таким образом, длина когерентности не зависит от длины лазерного резонатора, а определяется шириной спектрального контура излучения лазера. Произведение времени когерентности на ширину спектра излучения равно константе примерно равной 1.

Для стандартных гелий-неоновых лазеров длина когерентности, измеренная в пределах одного максимума АКФ,  равна ~ 20 см. Однако, при использовании стандартных многочастотных лазеров интерференционные измерения могут осуществляться и при значительно больших разностях хода интерферирующих лучей, составляющих километры вследствие периодичности АКФ. Единственное ограничение заключается в том, что при проведении измерений разность хода интерферирующих лучей, должна быть примерно кратной двойной длине лазерного резонатора.

 

Молекулярные лазеры

11.4.1. CO₂ – лазер

     СО₂ – лазер нашел широкое применение для обработки материалов. Его используют в технологиях лазерной резки, сварки и плавления материалов. Лазер с мощностью 10 кВт позволяет резать и сваривать стальные листы толщиной в несколько сантиметров. Лазеры малой мощности (менее 100 Вт) используют для обработки небольших деталей микросварки и маркировки изделий. Преимущество СО₂ – лазера по сравнению с другими газовыми лазерами заключается в более высокой эффективности (~ 20%) и возможности получения высокой непрерывной мощности, превышающей 20 кВт. Излучение лазера с длиной волны 10 мкм лучше поглощается многими синтетическими материалами по сравнению с излучением ближнего ИК-диапазона 1,06 мкм неодимового твердотельного лазера. Удельный энергосъем активной среды СО₂ – лазера при оптимальном составе газовой смеси составляет 40.. 50 Дж/(литр×атм.)

Атомы в молекуле СО₂ расположены симметрично вдоль прямой линии. Ось симметрии проходит через ядра атомов, а плоскость симметрии перпендикулярна данной оси. Молекула имеет две вращательные и 3 колебательные степени свободы. Для получения представления о колебаниях атомов в молекуле достаточно простой механической модели гармонических колебаний. Соответствующие колебательные движения показаны на рис.11.6.

Рис. 11.6. Колебательные движения в молекуле СО₂. а – невозбужденная молекула, б- г типы нормальных колебаний.

Рис. 11.7. Колебательно-вращательные спектральные полосы поглощения СО₂ в областях 9,4 и 10,4 мкм.

 

Генерация может происходить на одной или нескольких линиях основных полос, показанных на рис. 11.7, обладающих наибольшим усилением (поглощением). Доплеровская ширина отдельной колебательно-вращательной линии при давлении 5 мм рт.ст. и Т = 300К составляет около 50 МГц. При более высоких давлениях и температуре линии уширяются.

Положения центров полос в спектре поглощения СО₂ измерены с исключительно высокой точностью до десятков килогерц методом оптического гетеродинирования. Положения максимумов полос зависят от изотопного состава молекул СО₂. Всего существует 9 типов молекул, образованных разными изотопами кислорода и углерода.

    

Рис. 11. 5. Некоторые колебательные уровни молекулы СО₂, участвующие в генерации на линиях 10,6 мкм и 9,6 мкм (а). б – основное состояние и первое возбужденное состояние молекулы азота.

 

В лазере на углекислом газе генерация происходит при переходах между колебательными уровнями основного состояния молекулы СО₂. Поэтому в газовой смеси не требуется возбуждать высоко лежащие уровни энергии. В результате эффективность накачки оказывается достаточно высокой. Молекула, совершив вынужденный переход в канале генерации, быстро релаксирует в основное состояние и вновь может участвовать в работе лазера. Лазер на углекислом газе, обладая высоким кпд, может иметь и большую выходную мощность. Лазер с длиной разрядной трубки в несколько метров излучает в непрерывном режиме мощность в несколько киловатт.

Из рассмотрения энергетической диаграммы уровней молекулы СО₂ следует, что максимально возможный кпд такой системы равен 38%. Однако эта величина представляет собой теоретический предел. Хорошо сконструированный СО₂ – лазер преобразует в излучение в лучшем случае 20% от вкладываемой электрической энергии.

     Во всех типах СО₂ – лазеров на процесс генерации существенно влияет температура активной среды, которая зависит от мощности электрического разряда. По мере роста температуры растет населенность нижнего лазерного уровня. Поэтому на практике при увеличении энергии разряда вначале наблюдается рост мощности генерации, но по достижении некоторого уровня выходная мощность стабилизируется, а, когда температура газа становится выше 150°С, - начинает падать. Простейший способ охлаждения газа основан на передаче тепла охлаждаемым стенкам емкости, в которой находится газ. Такая методика применяется в лазерах с выходной мощностью до 100 Вт. Другой способ сводится попросту к удалению нагретого газа путем прокачки активной среды через область газового разряда. Такой способ применяют в лазерах с мощностью в несколько киловатт.

Практически во всех эффективных СО₂ –лазерах в качестве дополнительного канала для перекачки энергии в верхнее лазерное возбужденное состояние используют молекулы азота. В электрическом разряде с высокой эффективностью образуются колебательно возбужденные молекулы N₂, количество которых достигает 50% от общего их числа. Молекула N₂ состоит из двух одинаковых ядер и ее дипольное излучение запрещено. Она может дезактивироваться только при столкновениях со стенками сосуда или с другими молекулами. В смеси СО₂ и N₂ колебательная энергия молекул азота может легко передаваться молекулам углекислого газа, поскольку существует близкий резонанс между их колебательными возбужденными состояниями.

Эффективное охлаждение газового разряда достигается добавлением в него гелия. Все энергетические уровни гелия лежат выше 20 эВ, так что эта газовая компонента слабо влияет на свойства разряда в СО₂, оптимальная средняя энергия электронов в котором должна лежать в пределах 1 … 3 эВ. Теплопроводность гелия примерно в 6 раз выше теплопроводности азота и углекислого газа. Значительное увеличение скорости теплообмена, происходящее при добавках гелия нейтрализует выделение тепла и позволяет лазеру работать при более высоком разрядном токе и мощности излучения.

Во время разряда образуется заметное количество молекул СО, так как энергия диссоциации молекул СО₂ составляет всего 2,8 эВ.

Водяной пар добавляют для того, чтобы снизить степень диссоциации молекул СО₂ на СО и О. Добавка Н₂О при давлении0,2 мм рт.ст. практически полностью устраняет диссоциацию и позволяет поддерживать в отпаянных системах оптимальную концентрацию СО₂.

Рабочая смесь содержит также небольшие добавки Хе. Было обнаружено, что добавка ксенона при давлении 0,5 мм рт.ст. приводит к увеличениию КПД и выходной мощности. Наличие ксенона изменяет распределение электронов разряда по энергиям. Число электронов с энергией менее 4 эВ увеличивается, а с большей энергией – уменьшается. Это увеличивает скорость колебательного возбуждения СО₂ и N₂. Потенциал ионизации ксенона равен 12,1 эВ, что на 2… 3 эВ меньше, чем у других компонент газовой смеси. Это означает, что продольное электрическое поле разрядной трубки устанавливается при более низком значении для поддержания разряда, чем в отсутствии ксенона. Низкий потенциал ионизации ксенона способствует образованию новых электронов для поддержания разряда. Поэтому при том же самом токе продольное электрическое поле уменьшается, что в свою очередь приводит к уменьшению средней энергии электронов.

         

а                                                                      б

Рис. Сечения колебательного возбуждения молекул СО₂ (а) и N₂ (б) электронным ударом. Сечение поглощения для СО₂ имеет 4 резонанса, два из которых имеют высокоэнергетические хвосты.

 

Типичным примером является разряд длиной 130 см в трубке диаметром 10 мм, заполненной смесью: СО₂, N₂, He, Xe и Н₂О при парциальных давлениях соответственно 2,5; 3,5; 12,0; 0,6 и 0,2 мм рт. ст. Напряжение разряда 17 кВ, ток разряда 30 мА. Выходная мощность лазера с такой трубкой составляет 70 Вт.

В лазерах с киловаттной выходной мощностью для промышленного применения необходимо обеспечить проток активной среды через область разряда. В этом случае избыток тепла удаляется протекающим газом. При этом мощность возбуждения лазера может значительно, на несколько порядков величины превышать ту, которая имеет место в откачанных системах при охлаждении за счет диффузии к стенкам. Во всех эффективно охлаждаемых лазерных системах выходная мощность лазера пропорциональна массовому расходу газа в объеме, занимаемом активной средой.

 

 

Рис.11. Схемы лазеров с протоком газовой смеси. Системы с продольной (а) и поперечной (б) прокачкой.

 

     На рис. 11. показаны схемы устройства газоразрядной системы СО₂ -лазеров с продольной и поперечной прокачкой. Продольная прокачка позволяет получать относительно стабильное поведение электрического разряда. В этом случае разряд представляет собой положительный столб, стабилизированный диффузией. В лазерах с продольной прокачкой легко реализуются условия генерации на единственной гауссовой поперечной моде ТЕМ₀₀ лазерного резонатора. Недостатками системы с продольной прокачкой являются малая удельная выходная мощность и необходимость использования высокой скорости прокачки. В трубке длиной 50 см и внутренним диаметром 16 мм при скорости прокачки 300 м/сек получают выходную мощность в многомодовом режиме до 5 кВт при КПД 20%.

     При низких давлениях газовой смеси в несколько торр, характерных для СО₂ –лазеров с продольной накачкой, линия усиления определяется вращательной структурой колебательных уровней (рис. 11.7). Ширина спектральных контуров этой структуры составляет 50 МГц, поэтому лазер с длиной резонатора даже в несколько метров автоматически работает на одной продольной моде, то есть его спектр является одночастотным. При этом в излучении лазера отсутствуют высокочастотные колебания интенсивности.

В неселективном резонаторе генерация происходит на той вращательной линии, которая обладает наибольшим усилением. Обычно это линии на частотах 944,2 и 975,9 см^-1 (длины волн 10,59 и 10,61 мкм). Обращаясь к рис. 11.7 можно видеть, что генерация может происходить и на других частотах в области 9,3.. 9,6 мкм. Однако переходы 10-микронной полосы имеют большее усиление и при использовании неселективного резонатора генерация происходит на вращательной линии именно этой полосы.

Богатая структура в двух колебательных полосах с инверсной населенностью при использовании спектрально селективного резонатора позволяет получать генерацию практически на любой из линий вращательной структуры. При малых давления газа возможна только дискретная перестройка по этим линиям.

 Для получения возможности непрерывной перестройки частоты необходимо повышать давление газа. Полное перекрытие вращательных линий происходит при давлении ~ 14 атм. При столь высоких давлениях возникает серьезная проблема обеспечения стабильности электрического разряда. Ее решают путем использования поперечного импульсного разряда и предварительной ионизации газа внешними источниками УФ излучения или быстрыми электронами.

 Расширение спектрального контура усиления в лазерах активной средой высокого давления позволяет создавать СО₂-лазеры, работающие в режиме синхронизации мод и генерирующие импульсы длительностью порядка наносекунды.

     На практике непрерывную выходную мощность, превышающую 5 кВт, получают в системах с поперечной прокачкой. Скорость протока в поперечной системе на порядок величины меньше, чем в продольной схеме прокачки газа. Основная проблема осуществления разряда при поперечной прокачке состоит в неустойчивости плазменного столба. Для того, чтобы достичь эффективной лазерной генерации необходимы специальные меры по оптимизации конструкции электродов для стабилизации разряда.

     В СО₂ лазерах используют резонаторы двух типов: устойчивый и неустойчивый.

 

Рис. 11. Схема устойчивого и неустойчивого резонаторов. Форма волнового фронта обозначена линиями.

 

     В резонаторе используют зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями на медной подложке. Выходные зеркала резонатора в устойчивом резонаторе, работающие на пропускание, изготавливают из германия, халькогенидных стекол, кристаллов марки КРС или селенида цинка. Высокий показатель преломления этих материалов часто позволяет использовать в качестве выходного зеркала плоскопараллельную подложку без отражающих покрытий.

 При плотности мощности выше 1 кВт/см² возникают трудности, связанные с лучевой стойкостью пропускающего зеркала. В мощных лазерах эту проблему решают, используя неустойчивый резонатор. Такой резонатор образуют зеркала на металлических (медных) подложках, охлаждаемых проточной водой. Для вывода излучения из неустойчивого резонатора без использования прозрачных для лазерного излучения подложек, используют металлическое зеркало с отверстием, наклоненное на угол 45 градусов. В ближней зоне поперечное сечение луча образует кольцевую картину. Для устранения пространственной структуры, возникающей в результате дифракции излучения на краях отверстия его кромки необходимо аподизировать.

а                                                                                                            б

Рис. 11. а. Схема конфокального неустойчивого резонатора. Б – вывод излучения из резонатора с помощью наклонного зеркала.