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.

Эксимерные лазеры

Х +2Х Х +Х, Х +Y ХY +Y, Х +У +е ХУ +У.

Рабочей частицей в эксимерных лазерах являются молекулы — димеры некоторых благородных газов и их галоидов, способные существовать устойчиво только в возбужденном состоянии. Это обстоятельство объясняет их название excited dimmer, т.е. димеры в возбужденном состоянии. Механизмы создания инверсной заселенности эксимерных лазеров иллюстрируются схемой электронных уровней димера ХУ (Хсоответствует атомам благородных газов: Хе, Kr, Ar, а Y — галогенам F, Cl, Br и т. д.) (рис. 39). Основное состояние молекулы ХУ неустойчиво, т.е. характеризуется отталкивательным термом. Потенциальная яма, свидетельствующая о возможности появления устойчивого состояния, образуется только при возбуждении молекулы. Создание возбужденных молекул Х и ХУ возможно следующими способами:

(1.52)

Е,эВ 3

~

~

~г,~]з

, 578 нм I 1 ! I 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 !

511 нм

Си

Рис. 38

3/2,5/2

тушение на стенке ~|/г

Рис. 39

Времена жизни возбужденных молекул Х , или ХУ относительно радиационных процессов составляет 10 -10 с. Оказавшись в основном состоянии, молекула распадается. Поэтому радиационное разрушение верхнего уровня происходит по схеме

XY или X (1.53)

Развал молекулы в основном состоянии обеспечивает автоматическое опустошение нижних лазерных уровней. Из-за отталкивательного характера нижнего терма генерация эксимерных лазеров, как видно на рис. 39, может осуществляться в широкой полосе длин волн. Отличительной чертой эксимерных лазеров являются также весьма высокие значения квантового КПД.

Характеристики лазерных переходов эксимерных лазеров приведены в табл. 5.

Широкая линия усиления, малое время жизни верхнего лазерного уровня, а также необходимое для эффективного протекания процессов (1.52) высокое давление рабочей смеси приводят к необходимости осуществления высокой интенсивности накачки с энерговкладом 0.1-1 Джlсм за время 0,1-1 нс. Возбуждаемые электронным пучков по схеме лазеры на димерах благородных газов работают на однокомпонентных средах при давлениях 10 атм и позволяют получать мощность излучения в импульсе до 10 -10 Вт при КПД до 20%.

Возбуждение лазеров на эксимерах галоидов инертных газов можно проводить не только в тройных, но и в бинарных столкновениях (два последних уравнения (1.52)). Это позволяет снизить давление рабочей смеси до 0,5-1,5 атм (инертный газ — 10-100 торр, галогены или галогеноносители типа SF , NF ~ 1-10 торр, остальное буферный газ — Ne или Ar) и использовать для ее возбуждения газоразрядную импульсную технику с предварительной ионизацией разрядного промежутка. Энергия таких эксимерных лазеров в моноимпульсе может достигать ~ 100Дж (KrF) при КПД ~2% и импульсной мощности Вт.

Газоразрядный способ возбуждения позволяет осуществлять и импульсно- периодический режим генерации эксимерных лазеров. Достигнутая в настоящее время частота повторения импульсов составляет ~100 -1000 Гц при средней мощности излучения ~10-100 Вт и КПД~ 1%.

Интерес, проявляемый в последнее время к развитию техники эксимерных лазеров, обусловлен не только научными, но и практическими перспективами их использования. Эксимерные лазеры являются уникальными источниками мощного излучения в ультрафиолетовой части спектра, обеспечивающими при этом возможность плавной перестройки частоты генерации в широком диапазоне длин волн. Излучение созданных эксимерных лазеров охватывает -20% всей области ультрафиолетового диапазона. Поэтому наиболее плодотворное применение эксимерных лазеров, по-видимому, будет связано с селективными процессами лазерной фотохимии.

Таблица 5. Активные среды эксимерных лазеров