Аргон-криптоновый лазер как идеальный калибратор спектральной аппаратуры (в видимой области спектра)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Аргон-криптоновый лазер как идеальный калибратор спектральной аппаратуры (в видимой области спектра)

Москва – 2008 г.

Аргон-криптоновый лазер как идеальный калибратор спектральной аппаратуры (в видимой области спектра)

Целью данной лабораторной работы является изучение физико-технических и конструктивных особенностей малогабаритного аргон-криптонового лазера – практически идеально калибратора спектральной аппаратуры по крайней мере во всей видимой области.

1. Историческая справка. Впервые генерация в однократно ионизированном аргоне (Are⁺) была получена Бриджесом в 1964г. С тех пор аргоновые лазеры прочно удерживают нишу мощных (до 30 Вт в коммерческом исполнении) газоразрядных лазеров, генерирующих до 10 линий в сине-зеленой области спектра (основные линии – 488 и 514,5 нм)

Позднее была получена генерация в УФ-области (275-385 нм) на Are⁺⁺ (основные линии – 363,8 и 351,1 нм) и на Kr+ (основная линия 64, нм); однако на коммерческом рынке они сильно уступают лазерам на Are⁺ из-за почти на порядок худшей энергетики при прочих равных параметрах.

Всего (в разных конструкциях) Are генерирует более 44 линий, а Kr - более 67, что является своеобразным рекордом; именно на этом факте и основана данная лабораторная работа.

2. Особенности создания инверсной населённости в ионных лазерах на инертных газах.

Активная среда лазеров данного класса является однокомпонентной (что несколько упрощает конструкцию мощных аргон-криптоновых лазеров, имеюших встроенный вакуумный пост) и работает на одно- и или двухкратно ионизированных атомах. В результате процесса заселения верхнего рабочего уровня носит двухступенчатый характер.

2.1. На первом этапе в процессе ударной ионизации (I =15,7 эВ)

(1)

создаются собственно рабочие частицы Ar⁺ c энергией 15,7 эВ. Оценочное значение КПД ударной ионизации

η₁ = exp(-I/kT) = exp(-15,7 эВ/8 эВ)≈0,13=13% (2)

на первый взгляд вполне приличное, но достигается оно за счёт практически дугового разряда, обеспечивающего концентрацию быстрых электронов .

2.2. При такой высокой концентрации быстрых электронов, достигаемой в дуговом разряде при плотности тока ~10⁰А/мм², достаточно эффективно идёт процесс ступенчатого возбуждения на верхний рабочий уровень (ВРУ) ( с КПД

η₁=exp(-I/kT)=exp(-19,5 эВ/8 эВ)≈0,08=8% (3)

В результате из всей выкладываемой в дуговой разряд энергии на заселение ВРУ идёт только η₁₂=η₁η₂=0,13.0,08=0,01=1%, что является основной причиной рекордно низкого КПД лазеров данного класса, приводящей к существенному усложнению конструкции газоразрядной кюветы.

2.3. При наличии достаточно мощной накачки, обеспечивающей эффективное заселение ВРУ, и зеркал с соответствующим покрытием возникает мощная сине-зелёная генерация (основные линии 488,0 нм и 514,5 нм)

(Ar⁺)^**+(hν)=2(hν)+ (Ar⁺)^*

приводящая к дополнительному заселению НРУ (в основной схеме это два подуровня ²Р_1/2 с энергией 17,265 эВ и ²Р_3/2 с энергией 17,134 эВ). Соответственно квантовый выход

η₃=(E_в^**-E_н^*)/E_в^*= hν/ E_в^*=2,5 эВ/35 эВ ≈ 0,07=7%

Т.о., полный КПД аргонового лазера, генерирующего в сине-зелёной области спектра (λ=0,5 мкм) обычно не превышает

η_Σ=η₁η₂ η₃=0,13·0,08·0,07=0,07%

Однако в сложных (и, соответственно, более тяжёлых и дорогих) лазерах на ионизированном газе часто используется мощный соленоид, создающий аксиальное поле вдоль разрядной трубки. В результате движение (заряженных) ионов (или ) к стенкам капилляра затрудняется и часть (отгенерировавших) ионов () вновь возбуждается на ВРУ за счет только ступенчатого возбуждения (2). Т.о., роль процесса ударной ионизации несколько ослабляется и, соответственно, повышается КПД. Однако основное назначение соленоида - «отжатие» дугового разряда от стенок капилляра с целью уменьшения его перегрева и, соответственно, эрозии; кроме того, таким образом повышается концентрация заряженных частиц в приосевой зоне, где сконцентрирована энергия основной (ТЕМ₀₀) моды. В результате увеличивается инверсная населённость и, соответственно, коэффициент усиления, что приводит к заметному росту выходной мощности (особенно, на ТЕМ₀₀ моде) за счёт увеличения коэффициента F(A)=F(ΣL/2lk₀).

2.4. Ионные лазеры на инертных газах могут работать как в импульсном, так и непрерывном режиме. Последнее обеспечивается за счёт аномально быстрого расселения НРУ (τ_н≈2 нс) с испусканием жёсткого УФ излучения с λ_уф = 72 нм. В результате, несмотря на несколько большую вероятность подзаселения НРУ (в процессе ступенчатого возбуждения) с КПД

η`₂=exp(-E_н/kT_e)=exp(-17,2 эВ/8 эВ)≈0,12=12%

инверсная населённость сохраняется на достаточно высоком уровне (коэффициент усиления ~50%/м) и в первом приближении пропорциональна квадрату плотности тока j ², т.к. в основном работают два процесса, скорость которых прямо пропорциональна концентрации электронов n_e - ударная ионизация (см. 2.1) и ступенчатое электронное возбуждение ВРУ (см. 2.2).

2.5 При вышеизложенной трактовке механизма заселения ВРУ (и расселения НРУ) можно сравнительно просто показать независимость (в первом приближении) энерговклада ионизированного аргона в выходную мощность от диаметра капилляра.

2.6. В результате вышеизложенных процессов в Ar лазера генерируются (но не всегда все из нижеперечисленных) следующие линии:

Более полными являются соответствующие таблицы справочника по лазерам под ред. А.М.Прохорова, а также англоязычных справочников по лазерам (напр.,)

Там же приведены линии, генерируемые Кr⁺ лазерами.

2.7. Поскольку процессы заселения ВРУ (и расселения НРУ) носят неселективный характер, не возникает никаких принципиальных проблем при замене A_r на K_r. Однако из-за ухудшения удельной мощности по крайней мере на полпорядка коммерческое использование K_r⁺ лазеров (с λ = 647,1 нм) носит ограниченный характер, тем не менее в случае необходимости (например, для генерации 20...30 линий в видимой области спектра) наполение газоразрядной кюветы осуществляется смесью Ar и Kr без сколь-либо заметного снижения энергетики.

Дата добавления: 2015-10-13