Некоторые сведения из физики газового разряда

Лазерная техника

Содержание

Содержание ................................................................................................................................1-2

1. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ (ГЛ).....................................................................................................3

1.1. Классификация ГЛ..............................................................................................................3

1.2. Некоторые сведения из физики газового разряда.........................................................4

l.2.1. Понятие плазмы газового разряда......................................................................................4

1.2.2. Основные элементарные процессы в плазме ГР .............................................................5

1.2.3. Понятие устойчивости ГР .................................................................................................7

1.2.4. Описание ГР с помощью вольтамперной характеристики (ВАХ)…........................….9

l.2.5. Несамостоятельный ГР и его применение в ГЛ..............................................................11

1.2.6. Самостоятельный ГР и его применение в ГЛ.................................................................12

1.2.7. Особенности конструкции ГЛ с самостоятельным ГР .................................................15

1.2.8. Использование переменных полей для возбуждения ГЛ .............................................15

1.2.9. Импульсный ГР и его применение в ГЛ ........................................................................17

1.3. СО лазер.............................................................................................................................19

1.3.1. Схема энергетических уровней молекулы СО>, участвующих в процессе лазерной генерации……………..……………………………………………………………….…..……19

1.3.2. Создание инверсии на лазерных переходах ..................................................................20

1.3.3. Формирование частотного спектра лазерного излучения ...........................................21

1.3.4. Зависимость мощности генерации СО>-лазера от температуры активной среды…………………………………………………………………………............................23 1.3.5 Диффузионное охлаждение рабочей смеси ...................................................................25

1.3.6. Многолучевые системы на базе диффузионного лазера……………………………..26

1.3.7. Конвективное охлаждение рабочей смеси.....................................................................30

1.3.8. Импульсные СО -лазеры ................................................................................................33

l.3.9. Газодинампческие СО -лазеры.......................................................................................36

1.4. СО- лазеры..........................................................................................................................40

1.5. Химические лазеры. ….................................................………………………….….…..43

1.5.1. Основные требования, необходимые для прямого преобразования химической энергии в световую ......................................................................................................................................43

1.5.2. HF-лазер .............................................................................................................................43

1.5.3. СО -лазер с химическим возбуждением .......................................................................44

1.6. Атомарные лазеры (Не-Ne-лазер) ..................................................................................45

1.7. Ионные лазеры (Ar-лазер) ...............................................................................................46

1.8. Лазеры на самоограниченных переходах......................................................................48

1.9. Эксимерные лазеры …………………………………….…………………….....…........50

2.Твердотельные лазеры с оптической накачкой…………………………………..…….52

2.1. Общие характеристики и особенности генерации твердотельных лазеров с оптической накачкой…………………………………………………………………………52

2.2 Рубиновый лазер…………………………………………………………………..……....55

2.3. Лазеры на стекле с неодимом…………………………………………………..……….57

2.4. Лазеры на гранате с неодимом (ИАГ-лазеры)…………………………………..……59

3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ…………………………………………….…….60

3.1. Вынужденное излучение в полупроводниках………………………………………60

3.2. Создание инверсии в полупроводниках………………………………………...…...66

3.3. Лазеры на гомоструктурах……………………………………………...……….……73

3.4. Лазеры на гетероструктурах……………………………………………………….…80

4. ЛАЗЕРЫ НА РАСТВОРАХ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ………………….84

4.1. Лазерные красители…………………………………………………………………...84

4.1.1. Общие сведения…………………………………………………………………….…84

4.1.2. Поглощение света лазерными красителями и их флуоресценция……………….…86

4.1.3. Пути дезактивации возбужденных молекул красителя……………………….…….89

4.1.4. Распространенные красители………………………………………………………....89

4.2. Условие генерации……………………………………………………………………..98

4.2.1. Режим многократного прохождения излучения в резонаторе……………………...98

4.2.2. Режим сверхизлучения…………………………………………………………….…103

4.3. Системы накачки……………………………………………………………………..104

4.3.1. Поперечный способ накачки………………………………………………………...105

4.3.2 Продольный способ накачки………………………………………………………....107

4.4. Дисперсионные резонаторы лазеров на красителях…………………………..…108

4.4.1. Резонаторы с дифракционной решеткой………………………………………....…109

4.4.2. Резонаторы с оптическими призмами……………………………………………….111

4.4.3. Резонаторы с интерферометром Фабри-Перо………………………………………112

4.4.4. Лазеры на красителях с распределенной обратной связью……………………..…114

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ (ГЛ)

Классификация ГЛ

Газовые лазеры являются наиболее представительным классом лазеров. Их рабочее тело представляет собой вещество, находящееся в газообразном состоянии. Это может быть как собственно газ, так и пары различных металлов. Рабочее тело может представлять собой как однокомпонентный газ, так и смесь газов, находящихся как в атомарном, так и в молекулярном состоянии. Кроме того газ может представлять как совокупность нейтральных частиц, так и их ионов.

Число ионов, атомов и молекул, на которых уже получена генерация, превысило 100 и растет дальше, а диапазон частот ГЛ простирается от вакуумного УФ до ДИК, по существу до субмиллиметрового диапазона. Наиболее распространенные типы ГЛ представлены в таблице 1.

Таблица 1.Наиболее распространенные типы ГЛ

Тип лазера	Газоразрядный и электронный пучок	газодинамический	химический
На нейтральных атомах (электронные переходы)	Не-Xe HE-Ne	……	….
На ионах атомов (электронные переходы)	Ar,Kr,He-Cd	..	..
Лазеры на самоограниченных переходах	Cu,Au,Pb,Ba	..	..
Эксимерные лазеры	ArF,KrF,KrCl,XeF	..	..
Молекулярные лазеры (колебательно-вращательные переходы)	Co,CO	CO	Co,CO , HF,DF,HCl,HBr

ГЛ являются прекрасными физическими приборами и эффективными инструментами в различных практических и, в частности, промышленных приложениях. Для этого имеется несколько причин:

Высокая однородность активной среды. Она позволяет достигать расходимости пучка близкой к дифракционной. Значит, обеспечивается хорошая фокусировка пучка ГЛ и, как результат — хорошая локальность их воздействия на объект и высокая интенсивность их энергии излучения в фокусе.

Невысокие плотности активной среды. Это обуславливает узкие спектральные линии генерируемого излучения, а значит и высокую монохроматичность и, как следствие,— селективность воздействия на объект.

Высокие мощности излучения.

Возможность работы в различных режимах генерации:

а) импульсном,

б) импульсно-переодическом,

в) непрерывном.

Это очень полезно для возбуждения различных процессов селективной и термической технологий.

Из всех способов накачки в ГЛ наибольшее распространение получили три: газоразрядный, газодинамический и химический. Но самое широкое распространение получил газоразрядный способ. Поэтому в дальнейшем уделим ему основное внимание.

Кроме того, СО -лазер — наиболее универсальный с точки зрения накачки; он работает и при газоразрядной, и при газодинамической, и при химической. Но все же наибольшее распространение получил газоразрядный СО -лазер. Поэтому в дальнейшем также основное внимание из всех уделим именно этому лазеру.

Некоторые сведения из физики газового разряда

У большинства ГЛ, хотя и не у всех, рабочим телом является плазма газового разряда. Поэтому в данном разделе рассмотрим те ее свойства и характеристики, которые важны для понимания физических процессов, протекающих в рабочей среде ГЛ, что особенно важно для ГЛ, возбуждаемых электрическим разрядом.