Главная | Обратная связь

Гелий-неоновый (He-Ne ) (атомарный) лазер.

Этот тип лазера получил максимальное распространение среди газовых лазеров. В нем в качестве рабочего (активного) вещества используется неон (Ne). Гелий (Не) вводится как вспомогательный газ для создания инверсной населенности в системе уровней неона, причем атомов гелия на порядок больше, чем атомов неона.

Принцип работы Не-Nе лазера состоит в следующем.

рис.2.8

 

При электрическом тлеющем разряде, появляющемся после включения источника питания, возникающие свободные электроны возбуждают при столкновении, в основном, атомы гелия (т.к. их больше и они легче), переводя их на метастабильные уровни Е_2Не и Е_3Не. Одновременно часть атомов неона переходит на долгоживущие уровни Е_4Ne и Е_6Ne, благодаря чему создается незначительная инверсия населенности между уровнями Е_4Ne, Е_6Ne, Е_3Ne. Основную роль в формировании вынужденного излучения играют процессы столкновения возбужденных атомов Не с невозбужденными атомами Ne (резонансная передача возбуждения). В связи с тем, что энергетические Е_2Не и Е_3Не близки с уровнями Е_4Ne, Е_6Ne (см. энергетическую диаграмму на рис.2.8), то при столкновениях атомы Ne переходят в возбужденные состояния на уровни Е_4Ne и Е_6Ne, а атомы Не после столкновения переходят на невозбужденный уровень Е_1Не (безизлучательный переход). Основные излучательные переходы в Не-Ne лазере:

-Е_6Ne E_3Ne – излучение красного света с = 0,6328 мкм,

-Е_4Ne E_3Ne –ИК- излучение на длине волны = 1,1523 мкм,

-Е_6Ne E_5Ne –ИК – излучение на длине волны = 3,390 мкм.

Возможны и другие неосновные переходы с раcщепленных энергетических уровней Е_3Ne, Е_4Ne, Е_5Ne, Е_6Ne. Такие переходы являются причиной уширения спектральных линий излучения основных переходов.

Основные параметры Не-Ne лазеров:

1. КПД до 1%,

2. Мощность излучения в непрерывном режиме 0,1……10 мВт,

3. Степень монохроматичности 10 ^–6……10 ^–10,

4. Расходимость излучения 0,01 градуса,

5. Габариты 0,1….2 м.

Благодаря высокой монохроматичности и направленности излучения Не-Ne лазеры находят широкое применение в системах:

· передачи и обработки информации,

· записи и считывания информации с оптических транспарантов и голограмм.

 

2.5. Молекулярный СО₂ – лазер

К недостаткам атомных ( и ионных ) лазеров следует отнести низкий КПД. Причиной низкого КПД является относительно высокое расположение верхнего рабочего уровня над основным уровнем, что требует значительных затрат внешней энергии накачки для возбуждения атомов ( ионов ) и создания условия для их инверсной заселенности. Как указывалось в 1.2, молекулы, в отличие от атомов, имеют помимо электронных колебательные и вращательные уровни. Они расположены ближе к основному уровню, поэтому КПД у молекулярных лазеров практически на порядок выше, чем у газовых, и составляет 10…..20 %.

Наибольшее распространение среди молекулярных лазеров получили лазеры на углекислом газе ( СО₂ – лазеры), в которых в качестве активного вещества используется газовая смесь, состоящая из СО₂ и N₂ c добавлением Не.

Принцип действия СО₂ – лазера практически не отличается от Не – Ne лазера. Азот N₂ в таком лазере выполняет ту же роль, что и Не в Не – Ne лазере, т.е. при столкновении с молекулами СО₂ передает им свою энергию. Атомы N₂ возбуждаются за счет получения энергии от столкновений с электронами тлеющего разряда и передают, в свою очередь, энергию молекулам СО_2. Кроме того, молекулы СО₂ получают также дополнительную энергию от столкновений с электронами. Таким образом обеспечивается механизм инверсионной заселенности в углекислом газе. Процесс интенсивных столкновений между частицами газовой смеси приводит к разогреву активного вещества, что требует соответствующего теплоотвода, роль которого выполняет Не.

 

 

рис.2.9

 

На рис.2.9 приведена диаграмма нижних энергетических уровней СО₂ и N_2. Основные переходы в СО₂ - лазере наблюдаются в ИК – диапазоне между уровнями Е₄ Е₃ с длиной волны = 10,6 мкм и Е₄ Е₂ с длиной волны = 9,6 мкм. Уровень Е₁ N₂ и уровень Е₄ СО₂ близки, поэтому эффективность возбуждения при передаче энергии от N₂ к СО₂ велика. СО₂ – лазер работает в непрерывном и импульсном режимах. Наиболее интенсивное излучение соответствует переходу с = 10,6 мкм.

Основные характеристики СО₂ – лазеров:

1. Высокий КПД - 10….20

2. Высокая мощность излучения :

· в непрерывном режиме до 10 кВт,

· в импульсном режиме до 100МВт ( при длительности импульсов 100 нс.

3. Высокая степень монохроматичности = 10 ^–4….10^-5,

4. Малая расходимость - десятые доли градуса.

Указанные высокие характеристики СО₂ – лазеров приводят к тому, что последние находят широкое применение в различных производственных технологиях ( резка материалов плат для интегральных микросхем, получение отверстий для создания многослойных коммутационных плат БИС и СБИС, подгонка номиналов различных пленочных элементов в пленочных и гибридных ИМС и т. д.), в протяженных оптических системах связи с открытым оптическим каналом и в оптических системах локации, в военной области для создания систем лазерного оружия и аппаратуры радиоэлектронного противодействия.

Основными недостатками СО₂ – лазеров являются их большие габариты, зависящие от требуемой мощности излучения. Размеры СО₂ – лазеров составляют от нескольких сантиметров до нескольких метров. Кроме того, особенность работы таких лазеров состоит в обеспечении постоянного перемещения массы газа через газоразрядную трубку. Это вызвано оттоком молекул СО₂ из смеси газов из-за их диссоциации: СО₂ 2СО + О₂

Поэтому для постоянного обновления газовой смеси и охлаждения ее используется дополнительная аппаратура, обеспечивающая продув смеси через газоразрядную трубку. Для этих целей применяется сверхзвуковое сопло. Такие СО₂ – лазеры получили название газодинамических лазеров. Впервые газодинамический лазер был спроектирован в Советском Союзе в 1966 году. Использование эффекта сверхзвукового продува смеси позволяет увеличить мощность СО₂ - лазера в непрерывном режиме излучения до 0,5…..1 МВт.