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.