Іонні газові лазери
Іонні лазери примітні тим, що дають високоінтенсивне випромінювання у видимій та ближній УФ областях. Як активні частинки тут виступаютьіони інертних газів.
Найбільш типовим представником (і найбільш застосовуваним у медицині) є лазер на іонах аргону (Ar+). Цей лазер дає найінтенсивніше безперервне випромінювання у видимому діапазоні з усіх відомих лазерів. Оскільки випромінюючими частинками є іони, а не нейтральні частинки, для досягнення порога генерації потрібні високі густини струму. Газовий розряд тут виконує дві задачі: забезпечує високу концентрацію іонів, фабрикуючи іони з нейтральних атомів, і збуджує отримані іони потрібні енергетичні рівні. Спрощена схема робочих рівнів аргонового лазера представлена малюнку 8.7.
Ефективність двоступеневого процесу створення інверсії пропорційна принаймні квадрату струму розряду, оскільки ефективність кожного з процесів (іонізація та збудження) пропорційна самому струму. Порушення4pі4sрівнів іонаAr +походить з основного стану іона3p 5:
Ar + e ® Ar + + 2e; Ar + + e ® (Ar + )* + e(8.1)
За порушення відповідальні зіткнення іонів з електронами. Якщо щільність іонів в основному станіNi, а електронівNе,то швидкість накачування:
УмоваNi»Nеозначає нейтральність плазми загалом. Але, оскільки у стаціонарному станіNе
I (I – щільність струму),L
I 2 . Напівемпірична формула, наступна з цих простих міркувань, дає вихідної потужності аргонового лазера:
P/V = 10 -5 J 2(8.3)
деР/V[Вт/см 3] - об'ємна щільність потужностівсіх випромінюючих модах,J— щільність розрядного струму.
Поряд з накачуванням верхнього рівня необхідно дбати про спустошення нижнього. Для іонів аргону співвідношення часу життя робочих рівнів3p 4 4pі3p 4 4sнесприятливе (без зовнішніх факторів нижній рівень є довгоживучим). Допомагає наявність УФ-випромінювання з нижнього рівня з довжиною хвилі близько 72 нм. Такий радіаційний розпад нижнього рівня забезпечує необхідні умови інверсії.
Випромінювання в аргоні отримано на 10 лініях переходу між станами4pі4s, найбільш інтенсивними з яких є лінії 514,5 нм (зелена) та 488,0 нм (синя). ККД аргонового лазера, обмежений зверху квантовою межею
7% (що випливає із схеми рівнів), становить той самий порядок, що й у He-Ne лазера (0,1 – 0,05)%. Оціночно можна вважати, що на кожен Вт вихідної потужності припадає не менше 1 кВт споживаної (для вітчизняних лазерів – не менше 5 кВт).
Для отримання високої густини струму використовуються трубки малого діаметра. Розряд у разі не є суто тліючим, де ступінь іонізації дуже мала, він ближче до дуговому. Висока концентрація активних частинок дає можливість отримувати приблизно в 1000 разів більші рівні вихідної потужності, ніж He-Ne суміші при тих же тисках і довжинах активного середовища.
Іонні газові лазери були створені практично одночасно в багатьох лабораторіях, як у СРСР, так і в США, в 1963-64 рр.., тому важко вказати пріоритетну розробку. Важливо відзначити, що їх поява була обумовлена об'єктивними потребами в отриманні когерентного випромінювання великої потужності у видимому діапазоні, причому в безперервному режимі.
Через великі щільності струму і малого ККД теплове навантаження наактивний елемент Ar+-лазера виявляється дуже великий. Тому розробникам Ar+-лазерів доводиться стикатися з дуже серйозними технічними проблемами. Іонна температура у розряді складає
3000 К (її можна з достатнім ступенем точності оцінити за доплерівською шириною лінії лазера, що становить
3500 МГц). Це означає, що електроди та стінки піддаються інтенсивному бомбардування важкими іонами і зазнають у процесі роботи значну ерозію.
Але розігрів та ерозія – це ще не всі біди іонних лазерів. Зважаючи на велику щільність струму іони Ar + посилено дифундують від анода до катода, що призводить до появи поздовжніх градієнтів тиску, розшарування газу в стовпі розряду і зриву розряду взагалі. Так що розробникам аргонових лазерів спочатку було вчасно схопитися за голову від великої кількості технологічних проблем.
Тим не менш, до честі інженерів і конструкторів, були знайдені дуже дотепні та витончені технічні рішення, що дали змогу якщо не вирішити, то значною мірою пом'якшити ці проблеми.
Так, необхідність максимально ефективного тепловідведення змусила дуже вибагливо поставитися до вибору матеріалу газорозрядних трубок. Традиційний термостійкий матеріал - плавлений кварц - витримує трохи більше 500 годин роботи. Значно найкращі результати забезпечують керамічні матеріали, зокрема берилієва кераміка (BeO). Активні елементи з розрядними каналами з BeO мають термін служби до 5 тис. годин, що можна порівняти з неон-гелієвими лазерами.
Але термін служби продовжується не лише за рахунок вибору матеріалу. Щоб зменшити кількість зіткнень іонів зі стінками трубки, її поміщають у поздовжнє магнітне поле - в соленоїд, співвісний з оптичною віссю. Сильне магнітне поле не тільки оберігає стінки трубки, а йзбільшує ККД накачування, змушуючи іони частіше стикатися і краще збуджуватись.
Катофорез (дифузія іонів на катод) компенсується не менш дотепним способом: газорозрядна трубка забезпечується обвідним каналом, що забезпечує циркуляцію газу і тим самим «обманює» дифузію: іони ніби «утаскуються» з-під катода і перетікають у прианодну область. Щоправда, тут одразу ж довелося натрапити на неприємність: при підпалі розряд легше запалити обвідним каналом, а не робочим проміжком (діаметр обвідного каналу значно більше), що, звичайно, неприпустимо. Тому доводиться робити обвідний канал із довжиною, що істотно перевищує довжину основного каналу. Зазвичай це реалізується у вигляді спіральної трубки з кварцу, що оточує розрядний проміжок. Отже, випромінювач аргонового лазера, схематично зображений малюнку 8.8, має досить складну конструкцію.
Теплове навантаження на активний елемент може бути суттєво знижене в імпульсному режимі, аж до відмови від водяного охолодження. Такі лазери становлять безперечний інтерес для медицини (докладніше про це у розділі 4). Однак в імпульсному режимі для аргонових лазерів потужну конкуренцію становлять лазери на твердому тілі, що працюють на другій гармоніці, а також волоконні лазери, що істотно перевершують і ті, і інші по більшостіексплуатаційних показників.
ЛІТЕРАТУРА до лекції 8.
1. Н.В. Карлів. «Лекції з квантової електроніки».
2. У. Беннет. Газові лазери (огляд)
3. O. Звелто. "Принципи лазерів".
4. В.С. Лєтохов, В.П. Чоботаєв. Нелінійна лазерна спектроскопія надвисокого дозволу.-М., 1990, 512 с.
5. В.Є. Привалів// Лазер-Інформ, 2006 № 19-20, с.5.
6. П.С. Крилов, В.Є. Привалів// Листи в ЖТФ, 2005,31, вип. 5, с.7.
7. Райзер Ю.П. // Соросівський освітній журнал, 1997, N o 8, с. 99-104.
8. Н.І. Крилов, В.Т. Прокопенко, В.А. Тарликов. Основи лазерної техніки.