вход Вход Регистрация



Первый газовый лазер был создан в конце 1960г [1-3] на смеси гелия и неона. В Не-Ne ОКГ используют принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) к основному (Nе). В этом лазере активными частицами являются атомы неона, между уровнями которого осуществляется инверсия, а атомы гелия служат для создания эффективной накачки верхнего лазерного уровня атомов неона.

Рисунок 2.3 - Схема нижних энергетических уровней He и Ne.

На рис.3.3 приведена диаграмма нижних энергетических уровней атомов гелия и неона.[1-3]

Уровни 23S1 и 21S0 гелия-метастабильны, прямой радиационный переход в основное состояние 11S0 запрещен. Основное состояние атома Nе соответствует электронной конфигурации 1S22S22p6 и имеет терм*[1] 1S0. Выше (примерно на 16, 7 эВ) основного состояния расположены четыре подуровня, соответствующие электронной конфигурации 2S22p53S1.

Далее расположена группа из 10 подуровней, соответствующая электронной конфигурации 2S22p54S1 и т.д.

При столкновении атомов гелия, находящихся в метастабильных состояниях 23S1 и 21S0 с атомами неона, находящихся в основном состоянии, возможна передача энергии возбуждения неону. При этом, поскольку вероятность обмена энергий возбуждения между атомами тем больше, чем ближе друг к другу расположены их уровни, атом неона перейдет на один из подуровней 2р5 4s1 или 2р5 5s1, а атом гелия вернется в основное состояние. Т.о., процесс передачи энергии возбужденного состояния атома гелия невозбужденному атому неона будет протекать по схеме (см.рис.2.3 ). Следовательно уровни 2р5 4s1 и 2р5 5s1 неона будут населяться не только за счет электронных ударов, но, главным образом, за счет столкновения атомов неона с возбужденными атомами гелия.

Число соударений, при которых происходит процесс резонансной передачи энергии, пропорционально концентрации сталкивающихся частиц в исходных состояниях, т.е. скорость заселения верхних лазерных уровней неона пропорционально концентрации невозбужденных атомов неона и заселенности метастабильных состояний 21s0 и 23s1 атомов гелия. Большое время жизни атомов гелия в этих состояниях обуславливает высокую заселенность этих состояний, и в конечном итоге, достаточно высокую скорость заселения верхних лазерных уровней неона 2s2 2p5 5s1 и 2s2 2p5 4s1. Система верхних лазерных уровней неона имеет общие нижние уровни 2s2 2p5 3p1, имеющие достаточно большую возможность перехода на более низкие 2s2 2p5 3s1 уровни и, следовательно, малое время жизни. Все это обеспечивает выполнение условия инверсной населенности.

Описанный механизм заселения уровней неона обеспечивает получение инверсной населенности между парами подуровней 2p5 5s1 ®2p5 3p1 (дающих излучение с длиной волны 6328 А), 2p5 4s1® 2p5 3p1 (длина волны 11523А) и 2р5 5s1® 2p5 4p1 (длина волны 33900 А), допуская возможность генерации на трех переходах. Поскольку возбужденные уровни 3s, 2s, 3p, 2p неона являются сложными мультиплетами**, то между компонентами многих из них возможны переходы, т.е. генерация.

Т.о. ОКГ на смеси гелия и неона работает по четырехуровневой энергетической схеме, что дает возможность осуществления стационарной генерации излучения.

Основные элементы конструкции гелий-неонового ОКГ.

1 – анод;

2- катод;

3 –зеркала резонатора;

4 – выходные окна;

5 – газоразрядная трубка.

Рисунок 2.4 - Схема оптического квантового генератора на смеси газов гелия и неона с внешними зеркалами.[5]

Основным элементом прибора (рис.2.4) является газоразрядная трубка, представляющая собой стеклянную или кварцевую трубку длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров и диаметром от 1мм до нескольких сантиметров, заполненную рабочей смесью.

На концах трубки впаяны металлические электроды (разряд постоянного тока) или надеты металлические пояски (высокочастотный разряд). К торцам трубки под углом Брюстера к направлению оси трубки укреплены плоскопараллельные окна.

Возбуждения разряда в трубке осуществляется от источника питания, электрическая схема которого определяется механизмом создания инверсной населенности активных частиц в газовой смеси.

Оптический резонатор. Для устойчивой работы лазера необходимо достичь определенного уровня плотности поля излучения. Для этого активная среда газового лазера помещается в оптический резонатор, состоящий из двух полупрозрачных зеркал. Только в результате совместного действия газоразрядной трубки и резонатора образуется генератор когерентного излучения. Разрядная трубка выполняет роль усилителя. Здесь за счет энергии источника питания создается инверсная населенность уровней и проходящая через трубку волна усиливается за счет вынужденных переходов. При отражении от зеркал резонатора часть усиленного излучения вновь возвращается в разрядную трубку, где оно снова вызывает вынужденные переходы и т.д. Для того, чтобы при данных условиях (разряд, дли- на, диметр трубки) имела место генерация, необходимо, чтобы резонатор обладал определенной добротностью (зависящей от коэффициента отражения зеркал). Следовательно, применяя зеркала с различными диэлектрическими покрытиями, можно на одной и той же трубке со смесью гелия и неона наблюдать генерацию на различных длинах волн.

Различные конфигурации резонаторов используются в соответствии с назначением лазера. Так, максимальную направленность излучения обеспечивает резонатор с плоскими зеркалами или сферическими с большими радиусами кривизны. Для получения пучка с наименьшим сечением вблизи выходного зеркала используется резонатор, состоящий из плоского и сферического зеркала. Для получения максимальной мощности генерации обычно используется два сферических зеркала.

Основные факторы, определяющие выходную мощность излучения гелий-неонового лазера:

1. Ток разряда. Увеличение тока разряда приводит к повышению концентрации электронов в плазме разряда, следовательно, к интенсификации заселения уровней, в том числе и рабочих, т.е. к увеличению мощности генерации. При дальнейшем увеличении тока разряда начинает сказываться ступенчатое возбуждение уровня 2p 3s’, что приводит к уменьшению выходной мощности вплоть до срыва генерации.

2. Общее давление смеси в газоразрядной трубке. При малых давлениях (1-2мм рт.ст.) увеличение давления приводит к возрастанию мощности генерации в следствие увеличения концентрации атомов гелия и неона. В дальнейшем существенным оказывается снижение электронной температуры, что приводит к падению выходной мощности вплоть до срыва.

3. Соотношение компонентов смеси. Поскольку процесс передачи возбуждения при столкновении атомов идет не только от гелия к неону, но и наоборот, для создания инверсии необходимо, чтобы возбужденных атомов гелия было больше, чем атомов неона. Чрезмерное превышение содержания гелия приводит к повышению общего давления, следовательно, к уменьшению мощности (см.п.2). Оптимальные соотношения давлений неона и гелия находятся в диапазоне от 5:1 до 15:1.

4. Диаметр разрядной трубки. Увеличение диаметра ведет к увеличению объема активной среды, следовательно, возрастанию мощности. Однако по мере увеличения диаметра падает вероятность дезактивации нижнего лазерного уровня неона при столкновениях его со стенками, что приводит к уменьшению инверсии. Оптимальный диаметр зависит от длины трубки: для трубки длиной 1м оптимальный диаметр 7-9мм.

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру