Gazli lazerlar, geliy-neon gazli lazerning ishlash prinsipi

Qattiq va suyuqliklar bilan solishtirganda, gazlar sezilarli darajada past zichlikka va yuqori bir hillikka ega. Shuning uchun gazdagi yorug'lik nuri amalda buzilmaydi, tarqalmaydi va energiya yo'qotilishini boshdan kechirmaydi. Bunday lazerlarda faqat bitta turdagi elektromagnit to'lqinlarni (bir rejim) qo'zg'atish nisbatan oson. Natijada , lazer nurlanishining yo'nalishi keskin oshib , yorug'lik diffraktsiyasi tufayli ^chegaraga etadi ^. xursand. [5,7]

Qattiq va suyuqliklardan farqli o'laroq, gazni tashkil etuvchi zarralar (atomlar, molekulalar yoki ionlar) bir-biri bilan faqat issiqlik harakati jarayonida to'qnashuv orqali o'zaro ta'sir qiladi. Bu o'zaro ta'sir zarrachalar energiya darajalarining joylashishiga juda oz ta'sir qiladi. Shuning uchun gazning energiya spektri alohida zarrachalarning energiya darajalariga mos keladi. Zarrachalarning bir energiya darajasidan ikkinchisiga o'tishlariga mos keladigan spektral chiziqlar gazda biroz kengaytirilgan. Gazdagi spektral chiziqlarning torligi chiziqqa bir nechta rezonator rejimlarning tushishiga olib keladi. Gaz rezonatorda radiatsiya tarqalishiga deyarli ta'sir qilmaganligi sababli, radiatsiya chastotasining barqarorligi asosan ko'zgularning harakatsizligiga va rezonatorning butun tuzilishiga bog'liq. Bu juda yuqori radiatsiya chastotasi barqarorligiga olib keladi. Radiatsiya chastotasi ō 10 ^{-11 aniqlik bilan qayta ishlab chiqariladi} va nisbiy chastota barqarorligi


(1)

Gazlarning past zichligi hayajonlangan zarrachalarning yuqori konsentratsiyasini olishdan saqlaydi. Shuning uchun ishlab chiqarilgan energiyaning zichligi qattiq holatda lazerlarga qaraganda ancha past . [1,2,3]

2. Gazli lazerlarda faol gaz muhitini yaratish

Faol muhit - bu populyatsiya inversiyasi bilan qo'zg'atilgan gaz zarralari (atomlar, molekulalar, ionlar) to'plami. Bu shuni anglatadiki, yuqori energiya darajasida "yashovchi" zarralar soni pastroq energiya darajasida bo'lgan zarrachalar sonidan ko'proq. Issiqlik muvozanatining normal sharoitida teskari rasm sodir bo'ladi - quyi darajadagi aholi yuqoriroqlarga qaraganda ko'proq. Populyatsiya inversiyasida hn = Eev – En energiyaga ega fotonlarning stimulyatsiya qilingan emissiyasi aktlari , zarralarning Eevning yuqori sathidan pastki Enga majburiy o'tishi bilan birga , bu fotonlarning yutilish aktlaridan ustunlik qiladi. Natijada, faol gaz chastotali elektromagnit nurlanish hosil qilishi mumkin

(2)

yoki to'lqin uzunligi bilan

(3)

Gazning (yoki gazlar aralashmasining) xususiyatlaridan biri uning qo'zg'alishiga va unda populyatsiya inversiyasini yaratishga olib keladigan fizik jarayonlarning xilma-xilligidir. Qattiq holatdagi va suyuq lazerlarda keng qo'llanilgan gaz deşarj lampalarining nurlanishi bilan faol muhitni qo'zg'atish populyatsiya inversiyasini olish uchun samarasizdir , ya'ni . chunki gazlar tor yutilish chiziqlariga ega va lampalar keng to'lqin uzunliklarida yorug'lik chiqaradi. Natijada, nasos manbai kuchining faqat ahamiyatsiz qismi ishlatilishi mumkin (samaradorlik past). Aksariyat hollarda populyatsiyaning inversiyasi elektr razryadda (gaz-razryad lazerlari) hosil bo'ladi. Zaryadda hosil bo'lgan elektronlar gaz zarralari bilan to'qnashganda (elektron ta'sirida) ularni qo'zg'atadi va ularni yuqori energiya darajalariga o'tkazadi. Atom va molekulalarning elektron ta'sirida qo'zg'alishi gazlardagi populyatsiya inversiyasini olishning eng rivojlangan usuli hisoblanadi. Elektron ta'sir qilish usuli doimiy va impulsli rejimlarda qo'zg'alish uchun qo'llaniladi. Elektron ta'sirida qo'zg'alish boshqa qo'zg'alish mexanizmi bilan muvaffaqiyatli birlashtiriladi - noelastik to'qnashuvlarda bir turdagi zarrachalarni boshqa turdagi zarrachalardan qo'zg'atish uchun zarur bo'lgan energiyani uzatish (rezonansli qo'zg'alish uzatish). Har xil turdagi zarrachalarning energiya darajalari mos kelsa, bunday uzatish juda samarali bo'ladi.

Bu hollarda faol muhitning yaratilishi ikki bosqichda sodir bo'ladi: birinchi navbatda elektronlar yordamchi gaz zarralarini qo'zg'atadi, so'ngra bu zarralar ishchi gaz zarralari bilan elastik bo'lmagan to'qnashuv jarayonida ularga energiya o'tkazadi. Natijada, yuqori lazer darajasi to'ldiriladi. Yaxshi energiya to'planishi uchun yordamchi gazning yuqori energiya darajasi uzoq umrga ega bo'lishi kerak. [5,6,8]
Argon lazeri 1964 yilda Uilyam Bridjs tomonidan ixtiro qilingan va faol vosita sifatida asil gazlardan foydalanadigan ion lazerlari oilasidan biridir. Ne, Ar, Kr ionlashtirilgan inert gazlar yordamida 175 dan 1100 nm gacha spektral diapazondagi 250 dan ortiq chiziqdagi gaz razryadlarida lazer nurlanishi hosil bo'ladi. Bunday holda, qoida tariqasida, ionlanish holati qanchalik yuqori bo'lsa, to'lqin uzunliklari shunchalik qisqa bo'ladi va fotonlarning energiyasi shunchalik katta bo'ladi, chunki optik elektronlarning tobora kuchayib borishi qayd etiladi. Ba'zi lazer chiziqlari inert gazlardagi o'tishlardan kelib chiqadi, ba'zan esa ionlangan holda ko'payadi. Kerakli ion zichligi bilan bunday yuqori ionlanish holati faqat impulsli rejimda mumkin. [besh]
Inert gazlarda yakka va ikki marta ionlangan cw lazerlari alohida ahamiyatga ega. Ushbu turdagi asosiy vakili ionli argon lazeri bo'lib, u maxsus versiyalarda spektrning ko'k-yashil hududida 100 Vt dan yuqori va ultrabinafsha nurlar yaqinida 60 Vt gacha quvvatlarni ishlab chiqarishga qodir. Bu eng mashhur tijorat lazerlaridan biridir. Bir necha vattlik uzluksiz quvvatga ega kripton lazer spektral hududni deyarli infraqizil zonaga kengaytiradi.
Uilyam R. Bennet birinchi gaz lazerining (geliy-neon lazer) ixtirochisi boʻlib, birinchi boʻlib gaz lazerlarida choʻkishlarning spektral taʼsirini payqagan va lazer tebranishlarida yonish effekti nazariyasini yaratgan. U asil gazlarning har birida elektron ta'sir ostida qo'zg'alish, neon-kislorod lazerlarida dissotsiativ qo'zg'alish o'tkazish (birinchi kimyoviy lazer) va bir nechta metall bug' lazerlarida to'qnashuv qo'zg'alishini kashf etganlardan biri edi.

3. AR atomining energiya darajalari

U bir vaqtning o'zida 454,5–514,5 nm oralig'ida bir nechta to'lqin uzunliklarida hosil qiladi, eng yuqori avlod intensivligi = 488 nm (ko'k) va = 514,5 nm (yashil) bo'lgan chiziqlarga to'g'ri keladi.

Argon lazerida inversiyani yaratish mexanizmi atomning elektr razryaddagi elektronlar bilan ketma-ket ikki marta to'qnashuvi tufayli yuqori lazer sathining populyatsiyasiga asoslanadi. Argon atomlari, elektronlar bilan to'qnashib, ionlashtiriladi va ionning asosiy darajasiga o'tadi, birinchi to'qnashuv. Bundan tashqari, elektronlar bilan to'qnashgan argon ionlari yuqori lazer darajalariga o'tadi. Asosiy holatdagi argon ionlarining son zichligi N _{i ,} elektronlarning son zichligi N _{e bo'lsin} . Umuman olganda, deşarj plazmasi elektr neytral hisoblanadi; N i \ u003d N _e . Ushbu taxminga ko'ra, ushbu jarayon tufayli birlik hajmdagi yuqori lazer sathlarining nasos tezligi quyidagicha bo'ladi.


(to'rt)

Statsionar razryadda elektron zichligi razryad oqimining zichligiga mutanosib bo'ladi : N _e ~ I. Shuning uchun, dN / dt ~ I ² . Statsionar sharoitda nasos tezligi ishlab chiqarish quvvatini aniqlaydi. Statsionar rejimda birinchi yaqinlikdagi ionlarning qo'zg'aluvchan holatining populyatsiyasi tengdir.

(besh)

bu erda v - elektronlarning xaotik harakatining o'rtacha tezligi; ionlarni elektronlar bilan qo'zg'atish uchun maksimal samarali kesma; t - ionning qo'zg'aluvchan holatining ishlash muddati; – .ionning qo’zg’aluvchan va asosiy holatlari orasidagi energiya farqi ; T _{e -} elektron harorati. Plazmadagi elektron kontsentratsiyasi ion kontsentratsiyasiga teng ( N _e = Nt ), shuning uchun ikkita ishchi darajadagi populyatsiyalar o'rtasidagi farq - yuqori i va pastki r - bo'ladi.

(6)

i va r darajalari orasidagi energiya farqi qayerda

Bu ifodadan kelib chiqadiki, > shartida inversiya ( > 0) mumkin . Qadriyatlar bo'yicha va bir-biriga yaqin bo'lganligi sababli , inversiya imkoniyati qiymatlar bilan belgilanadi , ya'ni ish darajalarida ishlash muddati. Yuqori darajadagi ishlash muddati pastki darajadagi umrdan kattaroq bo'lishi kerak . Yuqori lazer sathining ishlash muddati 10-8 ^s ni tashkil qiladi, pastki lazer sathi (4 s ) esa asosiy holatga radiatsiyaviy o'tish bilan belgilanadi va taxminan 10 s xizmat qiladi. [7]
Yuqoridagi asosiy mexanizm bo'lgan inversiyani yaratish mexanizmidan tashqari, inversiyaga hissa qo'shadigan boshqa jarayonlar ham mavjud.Inversiyaga metastabil holatlar orqali elektron ta'sir qilish orqali bosqichma-bosqich qo'zg'alish muhim hissa qo'shishi mumkin; yuqoridan yuqori sathlarning kaskadli o'rni. Ushbu jarayonlarning miqdoriy hissasi lazerning ishlash rejimiga va o'ziga xos o'tishga juda bog'liq.
Elektronlarning to'qnashuvi natijasida argon atomi ionlanadi. Bundan tashqari, ikkinchi turdagi to'qnashuvdan so'ng, argon ioni yuqori lazer darajasiga qo'zg'atiladi. Boshqa qo'zg'alish mexanizmlari shundaki, populyatsiya yuqori darajadagi nurlanishning parchalanishi natijasida hosil bo'ladi yoki elektron to'qnashuv qo'zg'alish argon ionining chuqurroq metastabil holatidan kelib chiqadi.

Atomning energiya darajalarining soddalashtirilgan diagrammasi

Taxminlarga ko'ra, barcha uchta jarayon yuqori lazer darajasidagi aholiga katta hissa qo'shadi va, masalan, yuqori darajadan kaskadli o'tishlar 25 dan 50% gacha. [3,4]

Argonning emissiya spektri
^{+ chiziqlarini} samarali qo'zg'atish uchun elektron zichligi 10 ¹⁴ sm ^{-3 bo'lishi kerak} . Bu qiymat past bosimli yoy oqimlarida 10 ³ A·sm ^{2 gacha} bo'lgan oqim zichligida erishiladi . Chiqarish bo'ylab maydon kuchi taxminan 4 V sm ^{-1 ni tashkil} qiladi. Neytral gazning harorati 5 · 10 ³ K ga yetishi mumkin. Yuqori quvvat zichligi lazer quvurlarini loyihalashda muhim texnik xarajatlarni talab qiladi. Ko'pgina hollarda, biz suv bilan sovutilgan keramik naycha haqida gapiramiz, masalan, (BeO) dan - deyarli alyuminiy kabi yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan modda.
Boshqa variantlarda tushirish teshilgan volfram disklari orqali amalga oshiriladi, ular mis ushlagichlar yordamida quvurga issiqlik o'tkazadi. Bugungi kunda ko'p hollarda (BeO) dan quvurlar qo'llaniladi. Kukun (BeO) juda zaharli bo'lganligi sababli, bunday quvurlarni yo'q qilish ixtisoslashgan tashkilotlarni jalb qilgan holda juda ehtiyotkorlik bilan harakat qilishni talab qiladi. Yuqori zichlik tufayli elektronlar lamel ravishda tashqariga suriladi, bu esa oqim zichligining pasayishiga olib keladi. Ushbu ta'sir lazer trubkasi atrofidagi uzun bobin tomonidan yaratilgan tashqi magnit maydon bilan qoplanadi. Elektronlarga harakatning o'qiga va radial komponentiga perpendikulyar yo'naltirilgan Lorentz kuchi ta'sir qiladi. Natijada, radial yo'nalishdan harakat aylana yoki spiral traektoriyaga buriladi va oqim faqat o'qda to'planadi. Bu plazmaning lazer trubkasi materiallariga ta'sirini yumshatadi, bu uning ishlash muddatini sezilarli darajada oshiradi. Bundan tashqari, nasos tezligi va lazerning samaradorligi ortadi. Yuqori oqimlar to'g'ridan-to'g'ri isitiladigan zaxira katodlardan olinadi va sovutilgan torli strukturaviy elementlar anod sifatida xizmat qilishi mumkin. [4,5]
Raqadda yuqori oqimlar mavjud bo'lganda, impulslar elektronlardan gazga o'tadi va gaz katod tomon siljiydi. Olingan bosim gradyanlarini quvur bo'ylab tenglashtirish uchun mis disklarda maxsus teshiklar hosil bo'ladi. Ion lazeridagi gaz tugaydi, chunki razryad ionlarni to'g'ridan-to'g'ri devorga haydaydi. Tijoriy lazerlar yordamida bu gaz yo'qotilishi biriktirilgan rezervuardan avtomatik ravishda qoplanadi. Gaz bosimi 1-100 Pa darajasida va boshqa ko'plab lazer turlaridan farqli o'laroq, u gazlar aralashmasidan emas, balki sof argondan foydalanadi.
Geliy-neon lazeridan farqli o'laroq, skrining effektlari populyatsiya inversiyasini yaratishda rol o'ynamaydi va bu erda katta diametrli lazer trubkasi mumkin. Uzunligi 50 sm bo'lgan 488 nm chiziq uchun daromad taxminan: G= 1,35. Nurning sifatini hisobga olgan holda, uning diametri 1,5 dan 2 mm gacha cheklangan. Bu erda samaradorlik odatda 10 ^{-3 dan kam} . Keng diapazonda aks ettiruvchi lazerli nometalllardan foydalanish tufayli bir vaqtning o'zida turli chiziqlardagi nurlanishga erishiladi. Lazer bo'shlig'idagi Brewster prizmasi alohida to'lqin uzunliklarini tanlash uchun ishlatiladi. Bunday prizma bilan aks ettirishni yo'qotmaslik uchun nurlar prizmatik sirtlarga Brewster burchagida tushadi (bu to'liq qutblanish burchagi). Prizmaning ikkinchi tomoni birinchi sirtda singan lazer nuriga perpendikulyar yo'naltirilgan. Vertikal orqa yuzasi yuqori oynali qoplamaga ega. To'lqin uzunligiga qarab, birinchi yuzada nurning turli xil burilishi mavjud. Prizmani burish orqali turli xil chiziqlar o'rnatilishi mumkin. Tijoriy lazer uchun odatiy quvvatlar to'lqin uzunligini tanlash bilan 20 Vt. Chiqarish hududida yuqori harorat tufayli chiziq kengligi - Doppler kengayishi tufayli - 6 gigagertsgacha. Chastotani tanlash elementlari bo'lmasa, kogerentlik uzunligi santimetr oralig'ida bo'ladi. Golografiya sohasidagi ilovalar uchun bu qiymat intrakavit standartini hisobga olgan holda oshiriladi. Bunday holda, tarmoqli kengligi 5 MGts gacha kamayishi mumkin. Deyarli barcha tijorat inert gaz lazerlari asosiy TEM ₀₀ rejimida ishlab chiqariladi. Quvurning yuqori oqimlardan sezilarli yuklanishiga qaramay , uning ishlash muddati ko'p minglab ish soatlariga etadi.