L_10

Газовые лазеры: СО2 лазер
Типы колебаний молекулы СО2
- симметричный тип колебаний
- асимметричный тип колебаний
- деформационный тип колебаний
Деформационные колебания могут происходить как в одной, так и в двух
взаимно-перпендикулярных плоскостях, вследствие чего данный тип
колебаний имеет две моды: l=0, 1
Все типы колебаний являются взаимно-независимыми, каждое
колебательное состояние определяется перечислением всех колебательных
чисел, включая моду деформационного колебания: (V1V2lV3)
Газовые лазеры: СО2 лазер
V=1
0001
l1= 10.6 мкм
l2= 9.6 мкм
1000
0200
0110
V=0
CO2
0000
N2
Газовые лазеры: СО2 лазер
Лазерная генерация возникает на переходах 0001→1000 и 0001→0200 с
длинами волн 10.6 мкм и 9.6 мкм
Величина первого колебательного кванта молекулярного азота (V=1→V=0)
отличается от энергии уровня 0001 на 18 см-1.
Состояние N2 (V=1) является метастабильным
В разряде протекают следующие процессы:
N 2 (0)  e  N 2 (1)  e
N 2 (1)  CO 2 (0000)  N 2 (0)  CO 2 (0001)  E
Также происходит столкновительная передача энергии в процессах:
N 2 (V )  CO 2 (000 n  m)  N 2 (V  m)  CO 2 (000 n)  E
с последующим столкновением молекул углекислого газа друг с другом:
CO2 (0000)  CO2 (000 n)  CO 2 (0001)  CO 2 (000 n  1)
Газовые лазеры: СО2 лазер
Состояние 0001 имеет время жизни порядка 0.5 мс. Далее происходит
излучательная релаксация в одно из состояний 1000 или 0200
Состояние 1000 очень быстро безызлучательно релаксирует в состояние 0200
Скорость безызлучательной релаксации состояния 0200 в состояние 0110
велика при столкновениях с гелием. Состояние 0110 так же быстро в
столкновениях с гелием безызлучательно релаксирует в основное состояние
Вероятность перехода 0001→1000 выше, чем вероятность перехода
0001→0200. Поэтому в обычном режиме СО2-лазер будет генерировать на
длине волны 10.6 мкм
Газовая смесь в СО2-лазере трехкомпонентная: генерация происходит на
переходах молекулы СО2, N2 используется для накачки верхнего лазерного
уровня, а гелий используется для опустошения нижних лазерных уровней
Характерные соотношения компонентов смеси СО2: N2:He=1:1:8 при
полном давлении порядка 10-15 Торр
Газовые лазеры: СО2 лазер
Роль гелия
1. Гелий является газом, в котором хорошо поддерживается газовый разряд
2. Гелий отличается высокой теплопроводностью, что позволяет
эффективно охлаждать зону разряда: при высоких температурах происходит
заселение состояния 0110
3. При больших концентрациях гелия заметно снижается степень
диссоциации молекул СО2 при их столкновениях с электронами
Вращательная структура
Каждое колебательное состояние характеризуется набором вращательных
уровней. Вследствие этого генерация может происходить на целом ряде
колебательно-вращательных переходах, образуя в спектре излучения лазера
так называемые P- и R-ветви
При фиксированной температуре максимальная населенность достигается
для определенного номера вращательного уровня J (J=20 при рабочей
температуре) - генерация возникает на соответствующем переходе
Газовые лазеры: СО2 лазер
J  1 P-ветвь;
J  1 R-ветвь
0001
0
1000
0200
P-ветвь
R-ветвь
0

Газовые лазеры: СО2 лазер
Распределение частот и интенсивностей в спектре излучения
при различных температурах
Газовые лазеры: СО2 лазер
лазеры с продольной быстрой прокачкой и
продольным разрядом
лазеры с продольной медленной прокачкой и
продольным разрядом
Типы СО2-лазеров
лазеры с поперечной прокачкой
отпаянные лазеры
ТЕА-лазеры
волноводные лазеры
газодинамические лазеры
Газовые лазеры: СО2 лазер
Лазеры с продольной медленной прокачкой и продольным разрядом
Продольная прокачка используется для удаления продуктов диссоциации
- длина резонатора порядка 1 м
- выходная мощность излучения примерно 50 Вт/м в непрерывном режиме
- давление газовой смеси p не превышает 10-15 Торр
- диаметр трубки d=1-2 см
- имеется оптимальная величина pd
Ширина линии преимущественно доплеровская (около 50 МГц),
при давлениях порядка 25-30 Торр столкновительная ширина становится
сравнимой с доплеровской
Лазер работает преимущественно на одной продольной моде,
использование селективных устройств позволяет дискретно перестраивать
длины волн генерации по разным колебательно-вращательным переходам
Охлаждение водяное
Имеется оптимальная величина плотности тока: увеличение плотности
тока приводит к нагреву газа, что увеличивает населенность нижних
лазерных уровней и коэффициент усиления
Газовые лазеры: СО2 лазер
Лазеры с продольной быстрой прокачкой и продольным разрядом
Скорость прокачки составляет десятки м/c
Снимается ограничение на выходную мощность излучения, определяемую
максимально допустимой плотностью тока
Уносимая смесь газов охлаждается в специальном теплообменнике и
проходит химическую очистку
В таких лазерах удается получить выходные мощности излучения до
нескольких кВт в непрерывном режиме
Лазеры с продольной быстрой прокачкой и продольным разрядом
Можно получать большие давления газовой смеси и, как следствие,
большую выходную мощность (десятки кВт)
Газовые лазеры: СО2 лазер
Отпаянные лазеры
Прокачка газовой смеси не осуществляется
Необходимо компенсировать диссоциацию молекул СО2 на молекулы СО добавление атомарного водорода (приблизительно 1%). Молекула СО2 в
результате диссоциации распадается на СО и кислород, который,
соединяясь с водородом, образует пары воды. Пары взаимодействуют с
окисью углерода, восстанавливая ее до двуокиси углерода
Выходные характеристики мало отличаются от лазеров с медленной
прокачкой
ТЕА-лазеры
Существенное увеличение мощности излучения за счет перехода от
непрерывного режима генерации к импульсному:
- увеличение давления смеси до атмосферного и более
- включение разряда в поперечном направлении в виде короткого импульса
Газовые лазеры: СО2 лазер
ТЕА-лазеры
Достигаются выходные мощности до 100 МВт в импульсе при длительности
импульса 0.1 мкс
Используется предыонизация разряда – обеспечение начальной степени
ионизации газа непосредственно перед включением основного разряда
(УФ излучение, электронный пучок и др.)
Большая столкновительная ширина линий усиления (3-4 ГГц) возможность синхронизации мод с длительностями импульсов,
составляющими доли наносекунд
Газодинамические лазеры
Газовая смесь, изначально находящаяся в резервуаре при высоких
температуре и давлении, вылетает со сверхзвуковой скоростью из
специального сопла в зону низких температур и давления. При установлении
равновесного распределения населенность нижнего уровня уменьшается
быстрее и в какой-то момент времени между нижним и верхним уровнями
возникает инверсная населенность
Мощность возрастает до сотен кВт
Газовые лазеры: СО лазер
При включении продольного электрического разряда сначала происходят
столкновения молекул СО с электронами:
CO(0)  e  CO(V )  e, Vmax =5-8
Далее молекулы СО сталкиваются между собой, обмениваясь колебательной
Энергией (VV-обмен):
CO(V )  CO(U )  CO(V  n)  CO(U  n)  E
В результате VV-обмена одна молекула переходит на более низкий
колебательный уровень, а другая – на более высокий
Энергетически более выгодным является экзотермический процесс
Высвобождающаяся при этом энергия соответствует дефекту энергии,
который обусловлен ангармонизмом колебательных состояний
При n=1 процесс называется одноквантовым, при n=2, 3, 4 … двухквантовым, трехквантовым и т. д.
Газовые лазеры: СО лазер
V
1
V-1
2
E
V+1
1
2
V
W2=W1exp(-E/kT) - принцип детального равновесия для вероятностей
процессов
Когда населенность нижних колебательных уровней поддерживается на
некотором уровне в результате столкновений с электронами, процесс
VV-обмена приводит к забросу электронов вверх по колебательным уровням
При комнатной температуре максимально возможным заселенным
колебательным квантовым числом является V=20, а при охлаждении до
температуры жидкого азота V=35-40
Вероятность VT-релаксации мала по сравнению с вероятностью VV-обмена
на нижних уровнях СО и увеличивается с ростом номера V
Зависимость населенностей колебательных уровней от их номера –
распределение Тринора
Газовые лазеры: СО лазер
NV
Распределения Тринора при трех температурах
Область плато
T3
T2
T1
V
Газовые лазеры: СО лазер
В области плато
NV  NV 1
При комнатной температуре область плато находится в диапазоне
V=10-20, а при температурах жидкого азота V=5-40
В области плато нельзя говорить об инверсной населенности по
колебательным состояниям
Разность населенностей соседних колебательно-вращательных уровней:
 BV J '( J ' 1) 
 BV 1 J ''( J '' 1) 
N  NV BV exp  
  NV 1BV 1 exp  

kT
kT




Для P-ветви ( J '  J ; J ''  J
 1) выполняется условие частичной инверсии:
 BJ ( J  1) 
 BJ ( J  1) 
exp  

exp


  0  N  0
kT
kT




Газовые лазеры: СО лазер
V+1
V
V
V-1
V-1
V
основная частота
V-1
V-2
V-2
каскадная генерация
первый обертон
Газовые лазеры: СО лазер
В первую очередь наблюдаются переходы, соответствующие максимальной
населенности вращательных уровней (для низкотемпературных лазеров
J=12-15)
Диапазон генерации лежит в области 2.5-7.5 мкм
В селективном режиме можно выделять любую из колебательновращательных линий
Вероятность обертонных переходов существенно меньше вероятности
переходов на основной частоте - на обертонных переходах заметно меньше
и коэффициент усиления
Наиболее простой конструкцией является схема с продольной прокачкой
В непрерывном режиме достигаются мощности излучения в несколько
десятков Вт/м при давлении газа порядка 100 Торр
ТЕА СО-лазерымогут работать в импульсных режимах, в том числе, в
режиме синхронизации мод
Е, эВ
Газовые лазеры: лазеры на электронных переходах
Е, эВ
С
В
С
12
12
В
8
8
4
4
Х
Х
r, А
1.0
1.5
2.0
Схема уровней молекулы азота
r, А
1
2
3
Схема уровней молекулы водорода
Газовые лазеры: лазеры на электронных переходах
Принцип Франка-Кондона: наиболее вероятными переходами являются
вертикальные переходы (без изменения межъядерного расстояния),
происходящие в точках поворота
В молекуле азота наиболее вероятными являются переходы с нулевого
колебательного уровня основного Х-состояния на 0-й и 1-й колебательные
уровни С-состояния. Вероятность переходов из Х-состояния в В-состояние
практически равна нулю
Инверсная населенность возникает между возбужденными уровнями
С-состояния и уровнями В-состояния
Длины волн генерации азотного лазера:
337.1 нм - переход с 0-го уровня С-состояния на 0-й уровень В-состояния
357.7 нм - переход с 0-го уровня С-состояния на 1-й уровень В-состояния
315.9 нм - переход с 1-го уровня С-состояния на 0-й уровень В-состояния
В каждом колебательном переходе имеется несколько вращательных
компонент
Газовые лазеры: лазеры на электронных переходах
В молекуле водорода возможно большее количество переходов из
С-состояния в В-состояние. Поэтому диапазон длин волн генерации
водородного лазера шире – примерно от 116 нм до 126 нм.
Азотный и водородный лазер являются лазерами на самоограниченных
переходах и могут работать только в импульсных режимах
Время существования инверсии составляет не более нескольких нс
За эти времена излучение просто не успевает совершить двойной проход
через резонатор. Поэтому эти лазеры являются суперлюминесцентными
Возбуждение верхних лазерных уровней осуществляется в поперечном
электрическом разряде в процессах прямого столкновения молекул азота
и водорода с электронами
Плотность мощности накачки составляет несколько кВт/см3 при давлении
газа в несколько десятков Торр. В случае азотного лазера выходная
мощность может достигать единиц МВт, в случае водородного – единиц кВт,
частота следования импульсов может достигать сотен кГц
Газовые лазеры: эксимерные лазеры
Эксимер (excited dimer – возбужденный димер) - молекула, которая может
существовать только в возбужденном электронном состоянии
Е, эВ
12
кривые потенциальной энергии эксимера ксенона
8
Два состояния
1
u ;
3
u
4
r, А
2
4
Газовые лазеры: эксимерные лазеры
Между связанным (верхний лазерный уровень) и основным (нижний
уровень) электронными состояниями имеется инверсная населенность,
населенность нижнего уровня всегда равна нулю
К первой группе эксимерных лазеров относятся лазеры, полученные на
эксимерах инертных газов (Xe2, Ar2, Kr2).
Ко второй группе относятся лазеры на эксимерах, образованных при
соединении атома инертного газа с галогеном (ArF, XeF, XeCl, KrCl, KrF)
Xe2-лазер
Процесс образования эксимера ксенона происходит в электрическом разряде
в результате нескольких столкновительных процессов:
Xe  e  Xe+ +2e; Xe+  2Xe  Xe+2  Xe
Xe+2  e  2Xe*+e; Xe*+2Xe  Xe2  Xe
Времена жизни двух связанных возбужденных состояний равны 5 нс и 40 нс
Давление ксенона составляет порядка 10 атмосфер
Газовые лазеры: эксимерные лазеры
При переходе в отталкивательное состояние отсутствует какая-либо
колебательно-вращательная структура. Поэтому генерация происходит в
широком диапазоне – примерно от 170 нм до 175 нм
Длительность накачки составляет не более 1 нс, выходная мощность
излучения достигает сотен МВт
KrF-лазер
В KrF-лазере газовая смесь состоит из атомов криптона и молекулярного
фтора
F2  e  F-  F
Kr  e  Kr *  e
или
Kr *  F2  KrF  F
Kr  e  Kr +  e
Kr +  2F  KrF  F
эффективность этой реакции существенно увеличивается
в столкновениях с гелием:
Kr +  F+He  KrF  He
Поэтому в KrF-лазере в смесь добавляется атомарный гелий
Газовые лазеры: эксимерные лазеры
Излучательные характеристики всех эксимерных лазеров достаточно
близки. Отличаются только длины волн генерации:
Лазер
Длина волны, нм
Лазер
Длина волны, нм
Xe2
172.5
ArF
192.0
Kr2
145.4
KrCl
222.0
Ar2
126.5
XeF
352.0
KrF
249.0
XeCl
308.0