КАКИЕ БЫВАЮТ ЛАЗЕРЫ

Продолжая знакомиться с лазерами, совершим экскурсию по обширному лазерному хозяйству. Остановимся на различных типах лазеров, отметим особенности их устройства, используемые в них активные среды и методы накачки.

Мы уже познакомились с лазерами, в которых применяется оптическая накачка. Имеются в виду твердотельные лазеры, а также лазеры на красителях. Особенно подробно был рассмотрен лазер на рубине. Широко применяемые на практике лазеры на гранате с неодимом и лазеры на стеклах, активированных неодимом, во многом аналогичны лазеру на рубине. Как уже отмечалось, лазер на рубине генерирует излучение на длине волны 0,69 мкм. Лазеры на гранате или стекле с неодимом генерируют на длине волны 1,06 мкм. У лазеров на красителях спектр генерируемых волн занимает в общей сложности диапазон от 0,3 до 1,3 мкм. Познакомимся теперь с другими типами лазеров.
Газоразрядные лазеры. Так называют лазеры на разреженных газовых смесях (давление смеси 1-10 мм рт. ст.), которые возбуждаются самостоятельным электрическим разрядом. Различают три группы газоразрядных лазеров: а) лазеры, в которых генерируемое 110

излучение рождается на переходах между энергетическими уровнями свободных ионов (применяется термин «ионные лазеры»); б) лазеры, генерирующие на переходах между уровнями свободных атомов; в) лазеры, генерирующие на переходах между уровнями молекул (так называемые молекулярные лазеры). Ионные лазеры генерируют излучение, попадающее в видимую и ближнюю ультрафиолетовую области спектра,-примерно от 0,3 до 1 мкм. Лазеры на переходах в атомах генерируют в более широком диапазоне-от 0,4 до 100 мкм; основное число рабочих переходов попадает в диапазон 1-20 мкм.
Наиболее широк диапазон генерируемых волн у молекулярных лазеров. Это объясняется тем, что у молекулы очень много разных энергетических уровней. Уровни атома или иона представляют энергию электронов, движущихся в поле атомного ядра. Подобные уровни есть и у молекул; им соответствуют так называемые электронные состояния молекул. Вместе с тем у молекул есть много уровней, не связанных с движением электронов. Атомы в молекуле совершают колебания; энергию колебаний представляют энергетические уровни, называемые колебательными. Молекула может вращаться вокруг себя; с энергией вращательного движения молекулы связана система вращательных энергетических уровней. Расстояния между вращательными уровнями двухатомных молекул в 10-100 раз меньше расстояний между колебательными уровнями и примерно в 1000 раз меньше расстояний между электронными уровнями. Данному электронному состоянию молекулы соответствует система колебательных уровней, при этом каждому колебательному уровню отвечает система вращательных уровней. В целом получается довольно сложная и богатая структура молекулярных уровней.
Лазеры с рабочими переходами между вращательными уровнями, отвечающими одному и тому же электронному и колебательному состоянию молекулы, генерируют в инфракрасной области примерно от 10 мкм до нескольких сотен микрометров. Молекулярные лазеры, работающие на переходах между колебательными уровнями молекулы, генерируют инфракрасное излучение в основном в диапазоне от 5 до 50 мкм. Молекулярные лазеры могут генерировать также на переходах между электронными состояниями 112

молекулы. В этом случае излучение попадает в видимую и даже ультрафиолетовую части спектра-примерно от 1 до 0,2 мкм.
Из огромного числа газоразрядных лазеров выделим три: гелий-неоновый (как пример лазера, генерирующего на переходах в атомах), аргоновый (ионный лазер) и С02-лазер (молекулярный лазер).
В гелий-неоновом лазере активная газовая смесь состоит из двух атомарных газов-неона (эти атомы являются активными центрами) и гелия. Газовая смесь находится в специальной трубке, в которую введены электроды - анод и катод. При подаче на электроды напряжения около 1000 В в рабочем канале трубки зажигается тлеющий разряд-трубка начинает светиться ярким красным цветом. Образующиеся в разряде быстрые электроны сталкиваются с атомами гелия и неона и возбуждают их, передавая им часть своей кинетической энергии. Сталкиваются также друг с другом атомы гелия и неона. В частности, происходят столкновения возбужденных атомов гелия с невозбуж-

Рисунок дает представление о том, как выглядит гелий-неоновый лазер (1 — газоразрядная трубка, 2 — катод, 3 — анод, 4 — выходное зеркало). Обратим внимание на то, что выходные окна газоразрядной трубки наклонены к оси резонатора. Угол между осью резонатора и перпендикуляром к плоскости выходного окна (угол а на рисунке) называют углом Брюстера, tg а = п, где п — показатель преломления вещества, из которого сделано выходное окно. Используя окна трубки, "срезанные" под углом Брюстера, достигают сразу две цели. Во-первых, исключаются потери на отражение от поверхностей выходных окон. Во-вторых, лазерное излучение оказывается поляризованным в плоскости рисунка

денными атомами неона, при которых атомы гелия передают свою энергию возбуждения атомам неона. Эти столкновения играют решающую роль в создании инверсной населенности рабочих уровней атомов неона. Дело в том, что за счет энергии электронов заселяются как верхние, так и нижние рабочие уровни атомов неона (заметим, что в отличие от рассматривавшихся ранее ионов хрома, нижний рабочий уровень атома неона не совпадает с основным уровнем); процессы же передачи энергии возбуждения от гелия к неону приводят к заселению именно верхних рабочих уровней неона. Ясно, что эти процессы и создают инверсную населенность рабочих уровней. Впрочем, не следует полагать, что электронное возбуждение не играет в данном случае никакой роли - благодаря ему образуются возбужденные атомы гелия.
Гелий-неоновый лазер имеет три основных рабочих перехода: на длинах волн 3,39 1,15 и 0,63 мкм. Правда, на практике обычно принимают меры к тому, чтобы генерация происходила только на длине волны 0,63 мкм. Этого можно добиться, если, например, сделать торцы газоразрядной трубки из стекла, которое сильно поглощает свет на длинах волн примерно от 1 мкм и выше.
В аргоновом лазере генерация происходит на переходах между уровнями однократного иона аргона (Аг+); основными являются переходы на длинах волн

Так выглядит аргоновый лазер: 1 — газоразрядная трубка, 2 —катод, 3 — анод, 4 — система водяного охлаждения, 5 — обводной канал газоразрядной трубки

0,488 мкм (голубой цвет) и 0,515 мкм (зеленый цвет). Используется стационарный дуговой разряд постоянного тока. Температура разряда выше 1000 К, поэтому применяется система водяного охлаждения. Кроме того, газоразрядная трубка снабжена обводным каналом для выравнивания давления по ее длине (иначе газ скоплялся бы в анодной части трубки вскоре после включения разряда).
Заселение верхних и нижних рабочих уровней ионов аргона совершается за счет электронного возбуждения, т. е. в результате столкновений ионов с быстрыми электронами, которые образуются в разряде. При этом верхние рабочие уровни заселяются медленнее, чем нижние. Зато нижние уровни значительно быстрее очищаются, иными словами, ионы значительно быстрее покидают эти уровни, спонтанно перескакивая на еще более низко находящиеся уровни. Таким образом, инверсная населенность рабочих уровней создается в данном случае не за счет более интенсивного заселения верхних рабочих уровней, а за счет более интенсивного очищения нижних уровней.

Генерация в С02-лазере происходит на переходах между колебательными уровнями молекулы углекислого газа (С02); основными являются переходы на длинах волн 9,6 и 10,6 мкм. Основными составляющими активной газовой смеси являются углекислый газ и молекулярный азот. Для накачки используют тлеющий разряд.
I ikii sLj iii
На рисунке представлен один из типов С02-лазера (1 — газоразрядная трубка, 2 — катод, 3 — аноды). Здесь через газоразрядную трубку прокачивается газовая смесь из С02 и N2. Прокачка позволяет избежать нежелательного изменения химического состава активной среды, происходящего, в частности, в результате реакции 2С02-*2С0 +
+ 02. В настоящее время широко применяют отпаянные С02-лазеры (без прокачки газовой смеси). Срок службы таких трубок может быть достаточно большим — до 1000 ч и более

Столкновения с электронами, образующимися в разряде, приводят к возбуждению как молекул углекислого газа, так и молекул азота. Возбуждение молекулы азота, сталкиваясь с невозбужденными молекулами углекислого газа, передают им свою энергию возбуждения.
Это и приводит в конечном счете к возникновению инверсной населенности рабочих уровней молекул С02. Здесь мы встречаемся с ситуацией, аналогичной той, которая имеет место в гелий-неоновом лазере. Там роль вспомогательного или, как его называют обычно, буферного газа играл гелий; здесь в роли буферного газа выступает азот. Заметим, что газоразрядные С02-лазе- ры позволяют получать в непрерывном режиме весьма интенсивное излучение-световая выходная мощность может достигать 10 кВт; С02-лазеры характеризуются также относительно высоким КПД-до 40%.
Эксимерные лазеры. Так называют газовые лазеры, генерирующие на переходах между электронными состояниями эксимерных (разлетных) малекул. К таким молекулам относятся, например, молекулы Аг2, Кг2, Хе2’ ArF, KrCl, ХеВг и др. Эти молекулы содержат атомы инертных газов.
Как же так?-может удивиться читатель, взглянув на перечень эксимерных молекул.-Меня учили, что атомы инертных газов не вступают в химические реакции и не образуют молекул! Недаром же применяется термин «инертный газ». В действительности это не совсем так. Просто для того, чтобы образовалась молекула с участием атомов инертных газов, необходимо затратить определенную энергию. Атомы инертных газов вступают в химические реакции сугубо принудительно. Это означает, что образующиеся молекулы могут существовать только в возбужденных электронных состояниях. Если эксимерная молекула «вздумает» возвратиться из возбужденного в основное электронное состояние, она немедленно развалится (разлетится) на составляющие ее атомы. Именно поэтому эксимерные молекулы называют также раз летными.
В эксимерном лазере активными центрами являются эксимерные молекулы. Верхним рабочим уровнем служит возбужденное электронное состояние молекулы, нижним - основное электронное состояние. Очевидно, что нижний рабочий уровень всегда будет пустующим.

Ведь как^только молекула перескочит с верхнего уровня на нижний, она тут же разлетится на атомы, перестанет существовать и, значит, тут же покинет нижний уровень. Выходит, что у таких активных центров всегда будет наблюдаться инверсная населенность рабочих уровней. Таким образом, проблема создания инверсной населенности уровней сводится в рассматриваемых лазерах к проблеме образования эксимер- ных молекул. Ее решают, возбуждая инертный газ с возможными примесями с помощью мощных импульсных разрядов или интенсивных электронных пучков из ускорителей.
Заметим, что в эксимерных лазерах реализованы наиболее низкие значения генерируемых длин волн. Так, в лазере на молекулах Хе2 наблюдалась генерация на длине волны 0,172 мкм, в лазере на молекулах Кг2 0,147 мкм, в лазере на Аг2 0,126 мкм.
Электроионизационные лазеры. Мы уже говорили, что газоразрядные лазеры имеют низкие значения давления газовой смеси-не выше примерно 10 мм рт.ст. А это означает, что в единице объема активной среды содержится не так уж много активных цент- ров-не более 1015-1016 см-3, т.е. в десятки тысяч раз меньше, чем в твердотельных или жидкостных активных элементах. Вполне понятно, что мощность излучения, высвечиваемого единицей объема активной среды, будет тем больше, чем выше концентрация активных центров. Значит, желательно повысить давление в газовых лазерах.
К сожалению, повышение давления в газоразрядных лазерах чревато серьезными неприятностями. Достаточно сказать, что при давлениях уже в несколько десятков миллиметров ртутного столба электрический разряд становится неустойчивым, он начинает развиваться вдоль стенок трубки, не охватывая ее внутренней области.

Проблему повышения давления в газовом лазере можно решить, отказавшись от использования самостоятельного электрического разряда. Можно сделать, например, так. Пусть некоторое ионизирующее излучение порождает в активной среде свободные электроны, а специально приложенное внешнее электрическое поле эти электроны ускоряет. Далее все может происходить по той же схеме, что и в газоразрядном лазере: быстрые электроны возбуждают атомы или
молекулы активной газовой среды. Если раньше быстрые электроны создавались в электрическом разряде, то теперь они создаются совместным действием двух факторов - ионизирующего излучения и внешнего электрического поля. Такой метод накачки позволяет осуществлять эффективное (с КПД до 30%) прямое преобразование энергии электрического поля в энергию когерентного лазерного луча. При этом давление газовой смеси может быть увеличено до 100 атм, в связи с чем используется термин «лазеры на сжатых газах». Существенное увеличение давления привело и к значительному возрастанию выходной мощности лазера-по сравнению с газоразрядными лазерами на таких же активных средах она возросла в сотни тысяч раз.
В качестве ионизирующего излучения используют ультрафиолетовое излучение, электронный пучок из ускорителя, пучки заряженных частиц, являющихся продуктами ядерных реакций.
Для примера рассмотрим электроионизационный С02-лазер. Активная газовая смесь здесь такая же, что

Так выглядит в общих чертах эле^роионизационный С02-лазер с ионизацией электронным пучком. Через тонкую фольгу 1 пучок электронов 2 попадает в рабочий объем 3, находящийся между двумя плоскими электродами {4 и 5). В рассматриваемом лазере фольга является довольно уязвимым местом — ведь она разделяет вакуумный объем камеры ускорителя и рабочий объем, который находится под высоким давлением

и в газорязрядном С02-лазере; только теперь она находится под высоким давлением. Роль ионизатора выполняет обычно пучок электронов из ускорителя; энергия электронов порядка 100 кэВ, плотность тока пучка 10-4 А/см2. Сквозь металлическую фольгу электронный пучок проходит в объем, заполненный смесью углекислого газа и азота. Этот объем находится в пространстве между двумя плоскими электродами. Созданные совместным действием ионизатора и электрического поля быстрые электроны возбуждают молекулы С02 и N2. Возбужденные молекулы N2, сталкиваясь с невозбужденными молекулами С02, передают им энергию возбуждения, чем и обеспечивается, как уже известно читателю, инверсная населенность рабочих уровней молекул С02.
Газодинамические лазеры. А нельзя ли возбуждать колебательные и вращательные состояния молекул за счет нагревания газовой смеси до достаточно высоких температур, измеряемых тысячами градусов? Конечно, можно. Однако простое повышение температуры газа само по себе не может создать инверсную населенность уровней: более низко расположенные уровни всегда будут заселены сильнее. Здесь следует поступить хитрее. Сначала нагреем газовую смесь до высокой температуры, а затем очень быстро охладим ее (дав газу резко расшириться). Если нижние рабочие уровни активных центров очищаются быстрее, чем верхние (а так оно обычно и есть - ведь верхние уровни являются, как известно, метастабильными), то в данном случае может возникнуть ситуация, когда нижние уровни уже очистились и их населенность соответствует низкой температуре, а в то же время верхние уровни еще не успели очиститься, так что их населенность продолжает отвечать высокой температуре. Ясно, что при этом возникнет инверсная населенность рабочих уровней. Такова идея применяемой в газодинамических лазерах тепловой накачки.
Рассмотрим газодинамический С02-лазер. Его активная газовая смесь состоит из 90% азота и 10% углекислого газа. В специальной камере эта смесь нагревается до 1500 К под давлением 20-30 атм. Затем она проходит через сопловый блок и очень быстро расширяется в рабочем объеме (в объеме внутри резонатора лазера); при этом температура газа падает примерно до 300 К, а давление уменьшается до

0,1 атм. На выходе из соплового блока скорость газового потока достигает 1500 м/с. В рабочем объеме происходит высвечивание молекул С02, в результате чего и возникает лазерный луч.
Разберемся в сущности происходящих на выходе из сопла и в рабочем объеме процессов. Из камеры- нагревателя в сопловый блок поступают молекулы азота и углекислого газа, находящиеся в возбужденных колебательных состояниях. В данном случае это возбуждение достигнуто не за счет столкновений с быстрыми электронами, а за счет нагревания газовой смеси. После прохождения через сопловый блок резко возрастает энергия поступательного движения молекул. Она черпается за счет энергии колебательного движения. Это означает, что при выходе из сопла происходит быстрое очищение колебательных уровней. Существенно, что быстро очищаются не все колебательные уровни, а лишь нижние рабочие уровни молекул С02. Что же касается верхних колебательных уровней этих молекул, а также колебательных уровней молекул

Такова упрощенная схема газодинамического С02~лазера. Основные конструктивные элементы лазера: 1 — камера нагрева газовой смеси, 2 — сопловый блок, 3 — рабочий объем (объем резонатора), 4 — диффузор. Из текста понятно назначение первых трех элементов. Диффузор предназначен для торможения потока газа, выходящего из соплового блока, и согласования его давления с давлением наружного воздуха

азота, то при очень быстром расширении газа они не успевают сколь-либо заметно очиститься. Таким образом, молекулы С02 поступают в рабочий объем с практически пустующими нижними рабочими уровнями. Верхние же уровни сохраняют свою начальную населенность; более того, их населенность еще более возрастает за счет передачи энергии от возбужденных молекул азота. Последнее обстоятельство особенно важно, так как азота в газодинамическом лазере около 90%. Можно сказать, что энергия когерентного лазерного луча черпается в основном за счет колебательной энергии молекул азота.
Существующие газодинамические С02-лазеры дают рекордную мощность излучения в непрерывном режиме-до 100 кВт. Правда, их КПД невысок; он не превышает 1 %. Это объясняется рядом причин. Прежде всего бесполезно пропадает энергия поступательного движения частиц газового потока, выходящего из сопла. Кроме того, с потоком газа уходит из резонатора (из рабочего объема) некоторое количество возбужденных молекул азота, не успевших передать энергию возбуждения молекулам С02, а также ка- кое-то количество возбужденных молекул С02, не успевших высветиться.
Химические лазеры. Одни химические реакции требуют затраты энергии-иначе они не идут. В других химических реакциях энергия не затрачивается, а, напротив, высвобождается. Реакции, идущие с высвобождением энергии, называют экзоэнергетическими. Они-то и представляют интерес для химических лазеров. В этих лазерах энергия, высвобождающаяся при химических реакциях, идет на возбуждение активных центров и в конечном счете преобразуется в энергию когерентного света.
В существующих химических лазерах широко используются экзоэнергетические реакции замещения. В результате этих реакций образуются двухатомные молекулы в возбужденных колебательных состояниях. Они либо высвечиваются сами, либо обеспечивают высвечивание других молекул, которым передают энергию возбуждения. В первом случае говорят о прямом образовании инверсной населенности, во втором-о непрямом образовании. Приведем примеры реакций замещения, которые используются в химических лазерах:

F + H2 -> HF* + H, F + D2 -> DF* + D,
H + Cl2 -> HC1* + Cl, Cl + HJ -gt; HC1* + j.
Звездочка указывает на то, что молекула образуется в возбужденном колебательном состоянии.
Сама по себе экзоэнергетическая реакция не требует затрат энергии извне. Однако для того, чтобы она началась, нужно получить какое-то количество химически активных реагентов; в данном случае ими являются атомарные газы Н, F, Се и др. А для этого, конечно, нужна энергия. Таким образом, на практике не удается обойтись без определенных затрат энергии; они идут на инициирование нужных реакций. Кроме того, надо позаботиться, чтобы химические реакции протекали достаточно быстро-иначе лазер не будет работать. Скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагентов, вступающих в реакцию; поэтому для ускорения реакции требуется создать достаточно большое число атомов химически активных реагентов. Применяют различные способы инициирования и ускорения реакций в химических лазерах. Реагенты в атомарном состоянии получаются при диссоциации молекул. Наиболее часто используют диссоциацию под действием вспомогательного оптического излучения (фотодиссоциацию), диссоциацию под действием пучка электронов, диссоциацию в импульсе электрического разряда. Активные реагенты могут создаваться также за счет определенных химических реакций. В качестве примера приведем реакцию
NO + F2 -gt; NOF + F.              (1)
Отметим, что реакции, используемые в лазерах, имеют цепной характер: химически активный реагент воспроизводится в ходе реакции. Предположим, что в смесь, содержащую молекулы              D2 и              F2, вводятся              в
качестве химически активного              реагента атомы              F.              В
такой смеси будет развиваться цепной процесс:
F + D2 -gt; DF* + D; D              + F2              -gt; DF* +              F;
F + D2 -> DF*              + D;              ...              (2)
При создании достаточно большого начального количества химически активного реагента этот цепной процесс может стать настолько быстрым, что будет обеспечено условие возникновения чазерной генерации 122
на переходах между колебательными уровнями молекул DF. За счет многократного использования определенного воспроизводимого в ходе цепного процесса количества химически активного реагента можно вовлечь в реакцию огромное число молекул D2 и F2 и создать тем самьш много возбужденных молекул DF*. Имеется возможность превратить в энергию когерентного света настолько большой запас химической энергии, содержащейся во фтор-водородной смеси, что он перекроет затраты на первоначальное создание химически активного реагента.
Впрочем, на деле все оказывается не столь простым. Химически активный реагент не воспроизводится полностью; благодаря реакциям D + D -gt; D2 и F + F -gt; F2 происходит постоянное его уменьшение. Так что надо не только инициировать, но и поддерживать химическую реакцию, создавая все время новые химически активные частицы взамен вышедших из игры. Кроме того, накоплению возбужденных молекул фтористого водорода мешают различные про-
F2 + Не

Ў Ў Ў
-VVV Ў Ў Ў

цессы и, в частности, спонтанные переходы с верхних колебательных уровней на нижние.
В качестве примера рассмотрим химический лазер на фтор-водородной смеси с генерацией на переходах в молекулах С02. Лазер имеет две камеры: в одной происходят химические реакции, в другой (рабочей камере) высвечиваются молекулы С02. Рабочая камера находится внутри оптического резонатора. В первую камеру по одному каналу поступает смесь молекулярного фтора и гелия, а по другому каналу смесь окиси азота и углекислого газа. Благодаря реакции (1) в камере образуется химически активный реагент - атомарный фтор. Он взаимодействует с молекулами тяжелого водорода, которые вводятся в камеру по третьему каналу; возникает цепной процесс (2), приводящий к образованию возбужденных молекул DF*. Эти молекулы передают энергию возбуждения молекулам С02. Последние выносятся потоком в рабочую камеру, где и высвечиваются. Таким образом, активными центрами здесь служат молекулы С02; имеем дело с непрямым образованием инверсной населенности. Гелий вводят для предотвращения перегрева и самовоспламенения смеси фтора с водородом, а также для очищения нижних рабочих уровней молекул С02. Очищение происходит в результате столкновений атомов гелия с молекулами углекислого газа.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме КАКИЕ БЫВАЮТ ЛАЗЕРЫ:

- Популярная физика -