книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды
.pdf
Если такой полупроводник поместить в резонатор и обеспечить определенное пороговое условие, то вынужденное рекомбинационное излучение приведет к лазерной генерации в полупроводнике.
В этом процессе происходит непосредственное преобразование электрической энергии в лазерное излучение.
Такой механизм создания инверсии населенностей реализуется в инжекционных лазерах, в которых используется инжекция избыточных электронов и дырок в прямом направлении через нелинейный полупроводниковый контакт, обычно через р–n – переход или гетеропереход.
4.3.Типы лазеров
Всоответствии с агрегатным состоянием активной среды лазеры подразделяются на следующие основные типы:
Газовые лазеры |
Химические лазеры. |
|
Твердотельные лазеры (на кристаллах |
Лазеры на красителях. |
|
Лазеры на центрах окраски. |
||
или стеклах) |
||
Лазеры на свободных электронах. |
||
|
||
Полупроводниковые лазеры |
Рентгеновские лазеры. |
|
41
Лекция 5. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
Газовые среды являются очень хорошими активными элементами лазеров, так как имеют великолепную прозрачность в интервале от вакуумной ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области.
Малая плотность газовых сред существенно облегчает достижение высокой монохроматичности и дифракционного предела расходимости лазерного излучения.
В нормальных условиях ширина линий переходов в газовых средах определяется в основном доплеровским уширением, так как столкновительное уширение – довольно малая величина.
Поскольку ширина линии поглощения в газах мала, то возбуждение атомов и ионов, как правило, осуществляется с помощью электрического разряда.
Инверсия населенностей между двумя энергетическими состояниями газовых сред возникает в результате протекания следующих процессов:
Столкновение возбужденной частицы с электроном, при котором возбужденная частица A* передает свою энергию электрону A* + e → A + e.
Столкновение между атомами
A* + B → A + B + h ν.
Спонтанное излучение. 
Столкновение частиц со стенкой сосуда. 
При определенных параметрах электрического разряда процессы возбуждения и релаксации приводят к установлению равновесного состояния инверсной населенности рабочих энергетических уровней.
Инверсия населенностей между двумя энергетическими уровнями возникает при выполнении следующих условий:
Скорость возбуждения верхнего лазерного уровня больше нижнего.
Скорость релаксации верхнего лазерного уровня меньше нижнего.
42
Последнее условие необходимо для реализации непрерывного режима генерации.
Если это условие не выполняется, то генерацию можно получить в импульсном режиме, если выполняется первое условие.
Важной особенностью активной газовой среды является возможность передачи энергии атома одного газа (атома-донора) атому другого газа (атому-акцептору) при неупругом столкновении между ними.
|
|
|
|
|
|
Передача энергии возбуждения от атома-донора А |
|
A*+ B ← → A + B *+ E |
|
|
атому-акцептору В сопровождается |
выделением (или |
|
|
|
|
|
|
k |
|
поглощением) кинетической энергии |
Е: |
|
|
|
|
|
|
|
здесь k – константа скорости реакции k = <σv>, символ (*) обозначает возбужденное состояние соответствующего атома.
|
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее эффективна такая передача при малой разнице энергий |
|
E << kT |
|||
|
уровней сталкивающихся частиц: |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Такой процесс называется резонансным. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.1. Гелий-неоновый лазер
Генерация лазерного излучения гелий-неонового лазера осу-
ществляется на переходах атома неона, а гелий добавляется He* + Ne → He + Ne* для существенного повышения эффективности накачки за счетрезонанснойпередачиэнергиивозбужденияпореакции
Метастабильные уровни 23S1 и 21S0 гелия близки к 2s и 3s уровням неона.
При электрическом разряде в газовой среде He–Ne уровни He 21S и 23S заселяются за счет электронных ударов.
Время жизни метастабильных уровней 23S и 21S гелия составляет ~1 мс, и они хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом.
43
Поскольку переходы S → S запрещены, то при неупругих столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит возбуждение последних и заселение метастабильных уровней 2S и 3S по реакциям:
21 S (He) → 3S (Ne) |
23 S (He) → 2S (Ne) |
Инверсная заселенность уровней 2S и 3S позволяет осуществить лазерные переходы:
3S → 3P |
λ = 3,39 мкм |
2S → 2P |
λ = 1,15 мкм |
|
3S → 2P |
λ = 0,6328 |
мкм |
Вероятности этих переходов неодинаковы. 
При переходе 3S→3P усиление составляет ~ 20 дБ/м.
При переходе 2S→2P усиление составляет только 10…20 %/м.
Переходу 3S→2P соответствует усиление всего 5…6 %/м.
Это снижает требования к качеству резонатора, и генерация возможна при использовании простах металлических зеркал.
В этом случае уже необходимо применение в резонаторе диэлектрических зеркал.
Это приводит к необходимости применения в резонаторе многослойных диэлектрических интерференционных зеркал.
Поскольку время релаксации s-состояний (~100 нс) на порядок больше времени релаксации p-состояния (~10 нс), то работа гелий-неонового лазера может осуществляться в непрерывном режиме.
Конструктивно гелий-неоновый лазер представляет собой стеклянную трубку 1 с кольцеобразными анодом 3 и катодом 2.
Зеркала резонатора (4 – 100 % и 5 – 95…98 %) непосредственно впаяны в концы трубки.
44
Для получения поляризованного излучения внутри трубки устанавливается пластинка под углом Брюстера (в этом случае одно или оба зеркала резонатора могут находиться вне трубки).
Выходная мощность He–Ne-лазера с увеличением током разряда изменяется нелинейно (сначала достигает максимума и затем уменьшается).
Максимальная эффективность работы He–Ne-лазера достигается при следующих параметрах:
Произведение полного давления газа на диаметр трубки должно быть pD = 3,6…4,0 (мм рт. ст.)·мм
Оптимальный внутренний диаметр трубки
(D = 2 мм).
Оптимальное отношение давлений He/Ne должно быть 5:1 для λ = 632,8 нм и 9:1 для
λ = 1150 нм.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При длине |
трубки 100 см выходная мощность излучения |
на |
длине волны |
|
||||||||
|
λ = 632,8 нм составляет ~ 10 мВт и для λ = 3,39 мкм составляет ~ 100 мВт. |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Спектральная ширина лини для λ = 632,8 нм составляет |
ν ≈ 1,4 |
ГГц. |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Генерацию в одной продольной моде можно |
|
|
|
|
Это |
означает, |
что |
|
||||
|
осуществить, используя короткий резонатор, у |
|
|
|
|
длина резонатора |
не |
|
|||||
|
которого разность частот продольных мод c/2L |
|
|
|
|
должна |
|
|
превышать |
|
|||
|
сравнима с |
ν. |
|
|
|
|
L ≤ 15…20 см. |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Основным недостатком He–Ne-лазера является его низкий КПД (~0,1 %). 
45
5.2. Аргоновый лазер
Аргоновый лазер является типичным представителем ионных газовых лазеров, активными средами которых являются ионизированные атомы.
Верхние лазерные уровни 4p и 4s могут заселяться из основного состояния атома аргона как посредством одноступенчатого, так и двухступенчатого процесса.
Время жизни верхних уровней составляет ~10 нс.
Одноступенчатый процесс возбуждения и ионизация Ar+ происходит по схеме:
e → (Ar+ )*+2e
Двухступенчатая ионизация происходит по схеме: 
с последующим возбуждением
Ar + e → Ar+ + 2e
Ar+ + 2e → (Ar+ )* +e
В импульсных лазерах преобладает одноступенчатый процесс, а в непрерывных лазерах инверсия достигается в двухили многоступенчатых процессах.
Ион Ar+, попадая при накачке на верхний уровень 4р, может совершить переход на уровень 4s за время 10–8 с (это примерно в 10 раз меньше времени перехода с уровня 4s на основной уровень).
46
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Генерация в аргоновом лазере осущест- |
|
|
|
Наиболее интенсивными |
переходами |
|
|
вляется между уровнями 4p → 4s, |
|
|
|
между этими уровнями |
являются |
|
|
которые имеют многочисленные под- |
|
|
|
переходы с длинами волн λ1 = 514,5 нм |
|
|
|
уровни. |
|
|
|
и λ2 = 488 нм. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В стационарных условиях мощность генерации определяется скоростью накачки. 
В отличие от He–Ne-лазера усиление аргонового лазера не зависит от диаметра газоразрядной трубки, поскольку заселение метастабильных уровней не приводит к уменьшению инверсии населенностей, а также то, что его выходная мощность быстро растет с увеличением тока разряда.
Характерная спектральная ширина излучения аргонового лазера составляет несколько тысяч МГц, что позволяет получать сверхкороткие импульсы (~150 пс).
Такая спектральная ширина излучения, обусловленная доплеровскими столкновениями, приводит к повышению температуры ионов до 3 000 К.
Поэтому газоразрядную трубку аргонового лазера изготавливают из металлокерамики, имеющей хорошую теплопроводность и термоэрозионную стойкость.
Выпускаемые промышленностью аргоновые лазеры имеют следующие основные технические параметры:
Выходная мощность |
от 1 до 20 Вт |
|
|
|
|
Длина волны |
514,5 |
нм или 488 нм |
|
|
|
Режим работы |
импульсный и непрерывный |
|
|
|
|
КПД |
|
< 10–3 |
|
||
|
||
Спектральная ширина излучения |
≤ |
3 500 МГц |
|
|
|
47
5.3. СО2-лазер
CO2-лазер является молекулярным лазером с активной средой из смеси газов CO2, N2 и He.
Лазеры, использующие переходы между колебательными уровнями различных электронно-колебательных уровней и генерирующие в УФ-области длин волн
(100…400 нм).
В зависимости от используемых переходов молекулярные газовые лазеры можно разделить на три класса:
Лазеры на колебательно-вращательных переходах одного и того же электронного уровня, генерирующие в среднем и дальнем ИК-диапазоне длин волн (2…300 мкм).
Лазеры, использующие переходы между чисто вращательными уровнями одного и того же колебательного уровня, генерирующие в дальнем ИК-диапазоне длин волн (25 мкм…1 мм).
Генерация излучения в наиболее распространенных СО2-лазерах осуществляется на переходах между колебательными уровнями молекулы СО2, а азот и гелий используют для повышения КПД.
Молекула СО2 обладает тремя невырожденными колебательными частотами:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
симметричное |
|
|
|
деформационное |
|
|
|
асимметричное |
|
|
валентное |
|
|
|
колебание ν2; |
|
|
|
валентное |
|
|
колебание ν1; |
|
|
|
|
|
|
|
колебание ν3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Деформационной моде колебаний соответствует наименьшая постоянная упругости, и, следовательно, данный уровень обладает наименьшей энергией.
48
Генерация происходит между уров-
нями 0001 → 1000 (λ = 10,6 мкм) и уровнями 0001 → 0200 (λ = 9,6 мкм).
Заселение уровня 0001 происходит в результате следующих двух параллельно протекающих процессов:
Столкновение с электронами e+CO2(0000)→e+CO2(0001) (поскольку переход оптически разрешен, сечение столкновений его велико).
Резонансная передача энергии от молекулы N2.
Энергия первого колебательного уровня молекулы азота почти совпадает с колебательным уровнем 0001 молекулы CO2 ( Е = 18 см–1 << kT), а потому этот процесс идет очень эффективно.
Входящие в состав газовой смеси атомы гелия за счет столкновений с молекулами СО2 эффективно опустошают уровень 0001.
Кроме того, гелий благодаря высокой теплопроводности способствует поддержанию низкой температуры СО2 за счет отвода теплоты к стенкам газоразрядной трубки.
Низкая температура необходима для того, чтобы избежать заселения нижнего лазерного уровня за счет теплового возбуждения.
Конструктивно СО2-лазеры можно разделить на семь типов:
СО2-лазеры разных типов сильно отличаются друг от друга, имеют большой квантовый выход (до 40 %) и, как следствие, высокий дифференциальныйКПД(15–25 %).
Лазеры с медленной продольной прокачкой.
Лазеры с быстрой продольной прокачкой.
Отпаянные лазеры.
Волноводные лазеры.
Лазеры с поперечной прокачкой.
Лазеры с поперечным возбуждением при атмосферным давлении (ТЕА-лазеры).
Газодинамические лазеры.
49
5.4. Эксимерные лазеры
Эксимерный лазер представляет собой особый тип газового лазера.
Излучение эксимерных лазеров возникает в диапазоне 126…558 нм, благодаря чему оно может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера.
Активной средой эксимерного лазера являются эксимерные молекулы (квазимолекулы благородных газов, их окислов и галогенидов) либо пары металлических соединений.
Генерация в эксимерных лазерах происходит на переходах между различными электронными состояниями таких молекул.
Эксимерные молекулы существуют только в электронно-воз- бужденных состояниях, а в невозбужденном состоянии имеют мономерную форму.
Эксимерная |
Длина волны |
Ширина линии |
молекула |
в центре линии |
усиления, нм |
|
перехода, нм |
|
Ar2 |
126,1 |
8 |
Kr2 |
146,7 |
14 |
Xe2 |
172,0 |
20 |
ArF |
193,3 |
7 |
KrF |
248,4 |
15 |
XeF |
351,1 (485) |
25 (100) |
ArO |
558 |
4 |
KrO |
558 |
1,5 |
XeO |
540 |
25 |
Зависимость потенциальной энергии атомов ε эксимерной молекулы от расстояния R между атомами в основном состоянии представляет собой монотонную кривую, соответствующую отталкиванию при любых расстояниях между атомами.
Кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, благодаря которому возможно образование молекулы.
Эксимерная молекула при возврате в основное состояние претерпевает быструю диссоциацию либо самопроизвольно (предиссоциация), либо при первом же столкновении с другой молекулой газа.
50