Презентация на тему "Типы газовых лазеров"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Введение в специальность “Оптика лазеров” И.М. Белоусова Санкт-Петербург 2011 Лекция 5 - 6

• 
  Слайд 2

  Типы газовых лазеров

  Атомные лазеры, столкновительные лазеры Ионные газовые лазеры Лазеры на парах металлов Лазеры на молекулярных газах Эксимерные лазеры Газовые лазеры с оптической накачкой. Фотодиссоционные лазеры. Лазеры на парах щелочных металлов с диодной накачкой Химические лазеры Лазеры на свободных электронах. Рентгеновские лазеры. 2

• 
  Слайд 3

  Методы возбуждения и образования инверсии в газовых лазерах

  1. Прямое электронное возбуждение атомы молекулы ионы плазма разряда, электронный пучок 2. Передача возбуждения и образование инверсии при неупругих столкновениях атомов и молекул плазма газового разряда 3. Прямое оптическое возбуждение атомы молекулы лампы накачки, солнечное излучение, диоды 4. Химический метод возбуждения химические реакции 5. Тормозное излучение релятивистских электронов в магнитном поле 3

• 
  Слайд 4

  Краткий обзор основных типов газовых и химических лазеров

  Атомные лазеры. Столкновительные лазеры. Лазеры на инертных газах: Ne, Ar, Kr, Xe Способ возбуждения: прямой электронный удар Источник: плазма газового разряда Лазеры на смеси инертных газов: He-Ne Способ возбуждения: электронное возбуждение + неупругие столкновения атомов Источник накачки: плазма газового разряда 4 Основные параметры для Не-Ne лазера Спектр: λ 6328 Å; λ 1.15 мкм; λ 3.39мкм Мощность: рекорд 250 мВт Когерентность, одномодовость, узконаправленность: Δν/ν= до 10-14 , φ= 10-4 рад Применение: физический эксперимент, прецизионные измерения: лазерная интерферометрия, навигация, гравитация; оптические стандарты частоты Выпускаются в России: ОАО «Плазма»

• 
  Слайд 5

  Газовый лазер на смеси He-Ne

  5 Уровни энергии гелия и неона Характеристики энергетических состояний: Уровни He: 23S1и 21S0 – метастабильные состояния с τ≈1мс Уровни Ne: 3S2и 2S2 – близки к метастабильным уровням He, ΔE ≈ 300 (при KT ≈ 210 см-1) Важное условие τs> τp Состояние 1s Ne имеет большое время жизни (реабсорбция) Основные генерационные переходы: Столкновительное возбуждение: - скорость частиц - сечение столкновений При условии В стационарных условиях:

• 
  Слайд 6

  Генерационные характеристики He-Ne лазера

  6 Схема конструкции лазера Br-разряд30÷80 МГц Тлеющий разряд ток 50÷100 мА Кинетика и насыщение мощности генерации Фото He-Ne лазера K0 I, мА Pвых, мВт 5 4 3 2 1 20 100 180 PD=4 тор∙мм Pвых 1мм рт.ст. 1s Ne Iразр, мА N∙10-11см-3 100 180 23s1 He 21s0 He Iразр, мА Te~105°K ne~1011см-3 ne Te Теоретический максимальный КПД - физический КПД F(V) f(υ) эВ 23s1 5 20 f(υ) – функция распределения электронов по скоростям F(V) – сечение поглощения верхнего уровня 1/10 1/3 1/30

• 
  Слайд 7
  

  Параметры He-Ne лазеров Промышленные He-Ne лазеры 7

• 
  Слайд 8
  

  8 Лазерные интерферометры Статические интерферометры Интерферометр Майкельсона φ – разность фаз интерферирующих пучков φ= KΔ K=2π/λ– волновое число Δ - разность хода Iмакспри φ=2mπ, когда Δ =2m λ/2 – четное число полуволн Iминпри φ=(2m+1)π, когда Δ =(2m +1)λ/2 При I1=I2=I0/2Iмакс=2I0; Iмин=0 λ/2 Измерение качества плоских поверхностей - λ/100 Определение длины контрастности (контраст падает до 0 на длине когерентности) ЛАЗЕР Телескоп Центр кривизны Интерферометр Тваймана-Грина для измерения сферических поверхностей ЛАЗЕР I0 I1 I2

• 
  Слайд 9
  

  9 2. Ионные лазеры Лазеры на ионах инертных газов и металлов Наиболее разрабатываемые и применяемые: Ar II, Kr II, Ar II - Kr II Способ возбуждения: электронное возбуждение Источник: плазма сильноточного дугового разряда Спектр: от 0.2 до 1.5 мкм Наиболее характерные линии: Аргоновый лазер Ar II λ 4500÷5000 Å Криптоновый лазер Kr II λ 6471 Å Кадмиевый лазер Cd II λ 4471 Å Мощность излучения: от 0.01 до 20 Вт Рекорд: 500 Вт Характеристики излучения: Одномодовые, многомодовые, однолинейные, одночастотные Режим работы: непрерывный Область применения: голография, локация, медицина – хирургия Выпускаются в России: ОАО «Плазма»

• 
  Слайд 10
  

  10 Ионные лазеры Генерация осуществляется на ионах: Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg, B, In, C, Si, Ge, Sn, Pb, N, F, As, Sb, Bi, O, S, Se, Te, F, Cl, Br, I, Ne, Ar, Kr, Xe λот 0,2 ÷1.5 мкм Аргоновый лазер – наиболее изучен и налажен промышленный выпуск 0 5 10 15 20 25 30 35 E,эВ реабс. 3p44p Ar+ 3p5 4s Ar 3p5 Ar+ 3p6 1S0 Ar λгенер=5145 Å и 4880 Å Схема энергетических уровней Радиационное время жизни верхних уровней в 25 раз больше нижних. Это условие инверсии. Реабсорбция (поглощение) на нижний уровень не происходит из-за эффекта Доплера при движении ионов в электрическом поле Процесс возбуждения Прямые процессы Ar(3p6)+e→Ar*(3p54s)+e Ar(3p6)+e→Ar+(3p5)+e Ступенчатые процессы Ar+( 3p5)+e→Ar+(3p44s)+e Ar( 3p5)+e→Ar+(3p44p)+e Ar*(3p54s)+e→Ar+(3p44s) Ar*(4s)+e→Ar+(4p)

• 
  Слайд 11
  

  Технические параметры аргоновых лазеров Конструкция 1 — окна под углом Брюстера; 2 — катод; 3 — система охлаждения; 4 — керамический капилляр; 5 — обмотка соленоида; 6 — анод; 7 — обводной канал Возбуждение – сильноточный дуговой разряд Рабочее давление – несколько десятых тор Катод: оксидированный или импрегнированный(вольфрамовая губка, пропитанная алюминатом бария) Разрядная трубка – капилляр Токи – несколько сот А/см2 Ионы Ar+→ к катоду →обводной путь Применяется магнитное поле (1 КЭ) для сжатия токопроводящего канала Водяное охлаждение Применяют: тугоплавкие материалы (молибден, тантал, BeO-керамика), разделенные изоляционным материалом.Секционированная керамика. Срок службы – несколько тысяч часов

• 
  Слайд 12
  

  12 Мощность ионного аргонового лазера 20 Вт при разныхлиниях излучениях

• 
  Слайд 13
  

  13 Медицина: хирургия, офтальмология Полиграфическая промышленность (экспонирование аудио и видео дисков) Голография Лазерные шоу (смешение аргона и криптона – линии между красным и синим – белый цвет) Накачка лазеров на красителях и титан-сапфировых (пико- и фемтосекундной длительности) Применение ионных лазеров He-Cd - лазеры Производство голографических защитных знаков (высокая чувствительность фотоматериалов и фоторезистов) Лазерная спектроскопия, флуоресценция

• 
  Слайд 14
  

  14 3. Лазеры на парах металлов или лазеры на самоограниченных переходах Генерируют 27 металлов из 48 таблицы Менделеева Наиболее разрабатываемые и применяемые: Лазер на парах меди: CuI Способ возбуждения: импульсное электронное возбуждение Источник накачки: импульсный разряд высокочастотный Спектр: CuIλ 5105 Å и5782 Å PbIλ4062 Å Режим работы: частотно-импульсный Мощность (средняя): от нескольких Вт до 1 КВт Длительность импульса: 5÷10 нс Частота повторения: f=20 кГц КПД≈1.0 % (физический КПД 30÷40 %) Особенность: высокая температура для образования паров Применение: физический эксперимент, локация (море), медицина, лазерные шоу Выпускаются в России

• 
  Слайд 15

  Принцип работы и особенности образования инверсии на парах металлов

  i e e kметастабильный уровень резонансный уровень Возбуждение электронами в разряде резонансного уровня. Резонансный уровень имеет наибольшее сечение поглощенияQ Резонансное поглощение при излучении (реабсорбция) увеличивают время жизни верхнего уровня Нижний уровень – метастабильный – имеет большое время жизни и малое сечение возбуждения. Переход излучательный запрещен. 3. Необходима высокая Tдля создания паров металлов до 1500°С В стационарных условиях– инверсия не создается Инверсия возможна только в импульсном режиме до заполнения при излучении нижнего уровня – лазеры на самоограниченных переходах

• 
  Слайд 16

  КПД и мощность генерации

  В инертных газах Для паров металлов fн– эффективность электронного возбуждения Это привлекательная особенность лазеров на парах металлов Условие: 1. Быстрый ввод энергии, т.к. τi=10-9÷10-8 c. Если τимп>τi, то КПД снижается 2. Потери на нагрев среды Реальный КПД ~ 10% Мощность генерации (оценка) Ni =N0ne - возбуждение верхнего уровня N0~1017см-3 p~1 мм.рт.ст. Q~10-16см2ne~1015см-3 υe~108см/с Ni=1017∙1015 ∙108 ∙10-16≈1024акт возб/сек см3 P=Nihν=1024 ∙40 ∙10-3эрг=105 Вт/см3 При V=103см3P~400 МВт

• 
  Слайд 17

  Некоторые особенности конструкций

  Распределение металлического порошка по стенке разрядной трубки и нагрев в печи Саморазогрев в разряде Катафорез K А Нагрев отростка печь Cu+He(Ne) – буферный газ Взрыв проволочки, нагрев в полом катоде Возможно – применение галогенидов металлов CuBr, CuCl, CuI – T~450÷550°C Применение для разрядной трубки тугоплавких материалов: керамика (Al2O3)или BeO Частотно-импульсный разряд τимп=10÷20 нс; предельная частота повторения импульсов f~1/ τм~100 кГц – определяется временем жизни метастабильного уровня Для высокого КПД – крутизна нарастания тока 1014 А/с Поперечный разряд Поперечный разряд: Большая скорость нарастания тока Однородность накачки по объему

• 
  Слайд 18

  Промышленные лазеры на парах меди

  Схема питания: Линия Блюмляйна на кабельных линиях, коммутация тиратроном или конденсатор с коммутацией тиратроном. Кристалл LT-50Cu ВБП — входной блок питания; БВРП — блок выпрямителя и резонансного преобразователя; ТВБ — трансформаторно-выпрямительный блок; Тр — трансформатор; ТМФИ — тиратронно-магнитный формирователь импульсов; Др — зарядный дроссель; Д— диод; ПИ - импульсный подмодулятор; ТГИ – тиратронный коммутатор Принципиальная электрическая схема генератора наносекундных импульсов Конструкция АЭ «Кристалл LT-50Cu» (ГЛ-205В) 1 — разрядный канал; 2 — концевые трубки со щелями; 3 — генераторы паров меди; 4 — катод и анод; 5 — электродные узлы; 6, 7, 8 — теплоизоляторы; 9 — вакуумноплотная оболочка; 10 — выходные окна; 11 — концевые секции; 12 — экраны-ловушки; 13 — соединительные втулки

• 
  Слайд 19
  

  19 4. Лазеры на молекулярных газах с электронным возбуждением Наиболее разрабатываемые и применяемые:CO2и CO Способ возбуждения: электрический разряд, электронный пучок, предварительная ионизация или фотоионизация Источник накачки: импульсный, импульсно-периодический электрический разряд, электронный пучок, газодинамическое возбуждение Режим работы: непрерывный, импульсный, импульсно-периодический Спектр излучения: основные линии CO2- λ10.6 мкм CO – λ 5÷6 мкм Мощность генерации: СO2 – мультикиловаттный уровень, уникальные стенды до 1-5 МВт CO – импульсный режим ~ неск. сотен Дж КПД: СO2 – лазеры ~ 10 % CO – лазеры ~ до 47 % особенность Tгаза – 83° К Применение: передача энергии на большие расстояния, технология, локация, медицина, разделение изотопов

• 
  Слайд 20

  Генерационные переходы

  Энергия,см-1 1 2 3 103 0 С 0 V0°0 V0´0 00°V 00°1 2346.16 10.6 мкм 9.4 мкм 10°0 1388.87 02°0 1335 02°0 1285.4 01°0 667.4 см-1 V=1 V=0 N2 Колебательные уровни основного электронного состояния Молекула CO2 – линейно симметрична, обладает тремя типами колебаний симметричный тип колебаний – V0°0 деформационный тип колебаний – 0V´0 антисимметричный тип колебаний - 00°V Генерация λ 10,6 мкм переход 00°1 - 10°0 λ 9,4 мкм переход 00°1 - 02°0 Колебательно-вращательные переходы Переходы между вращательными состояниями молекулы возможны при изменении jна ±1. Наибольшей интенсивностью обладают линии P20и P22 КПДтеор=hνг/Eв=41 % КПДреал=10% - 25% Энергетические уровни CO2и N2молекул Переходы (j+1)v→jv´ - R-ветвь (j-1)v→jv´ - P-ветвь

• 
  Слайд 21

  Самостоятельный разряд

  Продольный разряд низкого давления Лазер с поперечным разрядом атмосферного давления (ТЕА-лазер) Transversely Excited Atmospheric Диффузионное охлаждение K0=f(J) Kmax~10-2/R см-1 d= 110 см P∑=5÷15 тор jср. пл. тока~10 мА/см2 P=25÷100 Вт P= до 100 Вт/м CO2:N2: He 1 : 1(3) : 5(10) Импульсный режим Малая индуктивность, быстрый ввод энергии в разряд. Однородность прокачки. Например, E= 1÷2 Дж; τ=0,5÷5 мкс; КПД ~ 5% А + - Rб v К I, мА α % м-1 400 10 30 40 300 200 100 Ø 12 мм Ø 37 мм CO2:N2: He 2 :1,6: 4.5 мм.рт.ст. При прокачке газа до 20 кВт Rб + - Rб анод охлаждение катод Схематическое представление конвективно охлаждаемых лазеров. а) принцип действия системы с продольной прокачкой б) система с поперечной прокачкой (поток перпендикулярен оптической оси)

• 
  Слайд 22

  Волноводные и щелевые CO2-лазеры

  22 Для увеличения удельных характеристик необходимо: увеличение давления, плотности тока накачки – путь трубка – капилляр ~1 мм . Накачка – высокочастотный разряд Недостаток– большие потери основного типа колебаний Выход: использование резонаторов волноводного типа – разрядная трубка выполнена в виде диэлектрического волновода Трубки: BeO, Al2O3, сапфир Потери: EH||ø1мм α||=4.3∙10-5 cм-1BeO Высокие удельные энергосъемы P/W=20 Вт/см3 (давление до 200 мм. рт. ст.) Возможна: прокачка и отпаянные Отпаянные: 50 Вт/м Сечение разрядного промежутка и вывод излучения из неустойчивого резонатора. Волноводно-неустойчивый резонатор Источник накачки Br –разряд f=100 МГц Зазор между электродами 2÷4 мм Объем, например, 40÷80 см3 Охлаждение – водяное Поверхность зеркал и электродов обработана алмазным точением и покрыта пленками GeOили SiO2Rλ=10.6=99.2% Пример: Pср=2,5÷4 кВт Угловая расходимость По двум координатам

• 
  Слайд 23
  

  23 Мощные CO2-лазеры CO2-лазеры с несамостоятельным разрядом Газодинамические CO2-лазеры Предионизация газа осуществляется электронным пучком ( электронная пушка 100÷250 кэВ, плотность тока 10 мА/см2) Оптимальное возбуждение E/p ≈ 3 кВт/см∙атм При поперечной накачке газа и импульсно-периодическом режиме (200 Гц) получены рекордные результаты Pср ≈ 1МВт Принцип работы: Нагрев смеси: камера сгорания (ХГДЛ) ударная волна электрический нагрев, электродуговой способ Нагретая газовая смесь быстро охлаждается путем адиабатического расширения при сверхзвуковом истечении сжатого и нагретого газа через сопло в вакуум. Сверхзвуковое расширение понижает температуру и давление газовой смеси CO2 верхний уровень – сохраняет Ткол нижний уровень – низкая температура Независимая предионизация позволяет осуществлять однородную накачку среды основным разрядом больших объемов Достоинства ГДЛ: Рекордно большая мощность непрерывной генерации до 1МВт Недостатки: Низкий КПД (~ 0,5%), малыйK0 ~ 5∙10-3см-3, большие габариты, технически сложен Скорость потока~1км/с Смесь N2=85÷90%; CO2~ 10%; H2~ 0.5÷2% N2сохраняет энергию в колебательных состояниях

• 
  Слайд 24
  

  Оптика CO2-лазеров Окна, пластины тракта Зеркала Требования: низкий коэффициент поглощения высокая лучевая прочность низкий коэффициент теплового расширения высокая теплопроводность достаточная негигроскопичность Лучшие материалы для ИК-лазеров (примеры): Требования: высокая лучевая прочность высокий стабильный R высокая теплопроводность высокая температура плавления твердость мелкокристаллическая структура, близкая к “аморфной” с высокой температурой рекристаллизации Лучшие материалы Важные характеристики Рассчитанные значения допустимой плотности мощности WpVmax – упругая деформация (dпучка=1 см ), деформация поверхности на λ/10, кривизна, аберрации Wpσ=σт- пластическая деформация, образование волновой поверхности WpТ=Тпл– плавление материала Для мощных непрерывных CO2-лазеров - охлаждение зеркала со сложной разветвленной структурой охлаждения Обработка металлических зеркал – алмазное точение Термооптические искажения

• 
  Слайд 25
  

  Применение Технология Передача энергии на большие расстояния Локация Медицина