Газовые лазеры.

Газовые лазеры наиболее часто используются в области научных исследований, в промышленности (лазерная резка, сверление, сварка и др.) и медицине. В этих лазерах в качестве активной среды преимущественно применяются возбужденные электрическим током газы или пары (нейтральные атомы или молекулы, ионы атомов или молекул).

Характеристики газовых лазеров можно изменять различными способами:
1) варьируя большое количество газов или смесей газов;
2) путем изменения параметров газа (давление, температура, состав газа);
3) с помощью различных способов возбуждения;
4) с помощью соответствующего конструктивного исполнения.

По сравнению с другими типами (твердотельными, полупроводниковыми и лазерами на красителях) газовые лазеры характеризуются следующими специфическими свойствами.

Как правило, из-за низких давлений газа в активной среде (10?104 Па) необходимы существенно большие длины усиления, чем, например, в полупроводниковых лазерах, и тем самым более значительные размеры.

Активные среды газовых лазеров однородны и не имеют потерь, так что достижимо более высокое качество пучка лазерного излучения.

Путем быстрой замены газа можно легко отвести выделяющееся тепло, так что достижимы высокие мощности в непрерывном режиме работы.

Возможны более высокие абсолютные точности и стабильности частоты.

Имеется большое число частот газового лазера от вакуумного УФ-диапазона (примерно 100 нм) до диапазона СВЧ (около 2 мм).

Инверсия заселенностей в газах образуется путем возбуждения верхнего лазерного уровня и (или) опустошения нижнего лазерного уровня.

Инверсную заселенность получить тем легче, чем больше (среднее) время жизни верхнего уровня и чем меньше время жизни нижнего уровня.

Возбуждения газа, пара или смеси газов для создания инверсии заселённостей происходит в электрическом газовом разряде (наиболее часто используемый способ), в большинстве случаев в аксиальном, реже также в поперечном разряде постоянного тока с разрядными токами при непрерывном возбуждении от нескольких миллиампер до 100 А или импульсном возбуждении от 100 до 1000 А; с помощью релятивистских электронных пучков; с помощью оптической накачки; с помощью химических реакций; с помощью фотодиссоциации.

Активная среда находится в пределах лазерной трубки 1 (рис. 1), длина зоны возбуждения достигает от нескольких сантиметров до 200 м (типичные значения 0,3?1,5 м), а диаметр лазерной трубки 0,1?50 см (типичные значения 0,1?2 см).

Рис. 1 – Конструкция газового лазера: 1 – лазерная трубка (длина активной зоны I, диаметр d), закрытая окнами, установленными под углом Брюстера; 2 – зеркало лазерного резонатора (полностью отражающее); 3 – зеркало лазерного резонатора; 4 – источник питания; 5 – смесь газов

Наполнение газа стационарное (у большинства лазеров используются отпаянные трубки).

Охлаждение газа, т.е. отвод тепловых потерь, происходит с помощью:
1) воздушного охлаждения при незначительной мощности;
2) водяного охлаждения при средней и высокой мощности;
3) быстрой замены газа при очень высокой мощности лазерного излучения.

Обратная связь, необходимая для генерации излучения, усиливаемого в активной среде, создается лазерным резонатором. В простейшем случае лазерный резонатор состоит из двух зеркал. Следует различать резонаторы с внешними и внутренними зеркалами.

В резонаторе с внешними зеркалами лазерная трубка заканчивается окнами, которые обладают, во-первых, низкими потерями на частоте лазерного излучения и, во-вторых, для устранения потерь при отражении расположены под углом Брюстера относительно оси пучка. Благодаря этому излучение становится линейно поляризованным.

У лазера с внутренними лазерными зеркалами они закрывают лазерную трубку вместо окон. Излучение при этом неполяризовано.

По сравнению с твердотельным лазером газовый лазер благодаря лучшей однородности активной среды и более узкой ширине линии имеет более высокие параметры излучения относительно длины когерентности, стабильности интенсивности излучения, расходимости пучка и однородности по поперечному сечению.

Спектральные свойства лазерного излучения в основном определяются сильным неоднородным (доплеровским) уширением.

Неоднородное уширение приводит к тому, что газовый лазер без дополнительных мер (частотно-селективные элементы внутри резонатора, маленькая длина резонатора) излучает на большом числе частот собственных мод, и в результате образуется спектрально относительно широкая линия.

При увеличении однородной ширины в газовых лазерах может происходить заметная конкуренция мод, что может оказывать существенное влияние на спектральные свойства.

Из газовых лазеров для обработки материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка металла и др.) наиболее приемлемыми оказались лазеры на углекислом газе, на инертном газе и на парах металлов.

Лазер на углекислом газе (СО₂-лазер) работает в средней ИК-области спектра в непрерывном и импульсном режимах. С помощью СО2-лазеров достигается максимальная непрерывная мощность лазерного излучения. Достижимы энергии в импульсе как у твердотельных лазеров, однако при более высокой частоте следования импульсов. Его высокий КПД (больше 20 %) превышает КПД почти всех других лазеров.

СО2-лазер – это наиболее часто применяемый промышленный технологический лазер. Он применяется для обработки материала (лазерная резка металла, сварка и др.), улучшения поверхности, превращения вещества (лазерная химия, разделение изотопов, очистка материала), в спектроскопии, лазерной хирургии и в управляемом лазерном термоядерном синтезе.

Ионные лазеры на инертном газе – мощные непрерывные лазеры в видимой области спектра с выходной мощностью 0,5-20 Вт. Они генерируют лазерное излучение на многочисленных длинах волн от УФ- до ближней ИК-области спектра. КПД ионных лазеров достигает примерно 0,1 %. Большое значение имеют ионный аргоновый лазер, ионный криптоновый лазер, а также лазер на смеси газов с аргоновым и криптоновым наполнением. Эти лазеры применяются в качестве источника света накачки для лазеров на красителях, в голографии, измерительной технике, при обработке данных и записи в память, телевизионной технике (дисплей), диагностике плазмы, в медицине и обработке материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка и др.).

Лазеры на парах металлов генерируют на большом числе волн в видимой области спектра. Непрерывно работающие лазеры на парах металлов (важнейшими лазерами этого типа являются He-Cd- и He-Se-лазеры) по своим энергетическим параметрам в основном соответствуют He-Ne-лазеру. Часть лазеров на парах металлов работает только в импульсном режиме – важнейшим представителем этого класса лазеров является Не-Сu-лазер. Длительность лазерного импульса составляет несколько 100 нс, а импульсная мощность не превышает 500 кВт.

Лазеры на парах металлов применяются в репродукционной технике, проекционной микроскопии, при обработке материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка и др.), в голографии, при возбуждении излучения флуоресценции в спектроскопии, в качестве контрольного света для медицинских целей, а также в качестве источника света накачки для лазеров на красителях.

Дата добавления: 2015-08-18