Лазеры на парах металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева

Кафедра: «Материаловедение, технология материалов и термическая обработка металлов»

Реферат

Лазеры на парах металлов

Выполнил:

Студент группы 15-ММ

Болдырева Марина

Город Нижний Новгород

2018 год

Строение лазера на парах металлов

Использование: при разработке импульсных источников света с высокой концентрацией паров металлов с частотами в сотни и тысячи герц, в частности при создании лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов. Сущность изобретения: между двумя коаксиальными диэлектрическими трубками установлена электропроводная спираль 3 из рабочего вещества, каждый виток которой разрезан на n равных частей, расположенных друг от друга на расстоянии, необходимом для возникновения искрового разряда между ними, внутренняя диэлектрическая трубка 7 выполнена с отверстиями 9, расположенными напротив искровых разрядных промежутков, и с электродами, размещенными на ее торцах.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке источников света на парах металлов, в частности лазеров на самоограниченных переходах.

Область применения таких лазеров ограничена набором металлов, для которых необходимая упругость паров достигается при температуре не выше 1700оС. Для получения генерации в парах тугоплавких металлов используется метод импульсного испарения металла с поверхности при инициировании искрового разряда через линейную последовательность зазоров между пластинками рабочего металла.

Конструктивно газоразрядная трубка состоит из стеклянной трубки, заполненной буферным газом, кварцевой подложки, вдоль которой в ряд одна за другой с небольшим зазором расположены пластинки из рабочего металла, рабочих электродов и выходных окон. При подаче на рабочие электроды высоковольтного сильноточного импульса в каждом зазоре инициируется искровой разряд и образуется плазма паров металла: атомы исходного материала испаряются с поверхности катода, возбуждаются и ионизируются, расширяясь в объеме в буферный газ. Этот источник может быть использован для получения плазмы практически любых металлов, в том числе тугоплавких, для которых непригодны традиционные способы получения паров путем термического нагрева.

Недостатком такой газоразрядной трубки является неоднородное по объему распределение атомов металла в разряде, что ухудшает генерационные характеристики лазера.

Наибольшая концентрация атомов металла достигается в зазорах между пластинками. По мере расширения плазменного сгустка концентрация атомов убывает. Кроме того, в местах перекрытия плазменных сгустков концентрация несколько выше.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является газоразрядная трубка лазера на парах металлов, содержащая газоразрядную камеру с выходными окнами на торцах и рабочим веществом, теплоизолятор, рабочие электроды и нагревательный элемент, выполненный в виде одного накального распределенного электрода, расположенного внутри газоразрядной камеры по всей ее длине, концы которого через высоковольтные вводы подключены одновременно к источнику высокого импульсного напряжения и к источнику накала. При этом распределенный электрод выполнен в виде спирали, внутренняя часть которой является газоразрядным каналом. Такая газоразрядная трубка позволяет получить однородное распределение параметров плазмы по объему.

Недостатком данной газоразрядной трубки является ограничение эксплуатационных возможностей горизонтальным положением вследствие наличия в канале жидкого металла. Кроме того, лазер инерционен вследствие необходимости затрат энергии и определенного времени для разогрева металла до рабочей температуры. газоразрядный кадмиевый лазер метал

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей лазера за счет произвольной пространственной ориентации и ускоренный выход на рабочий режим.

Цель достигается тем, что в лазер на парах металлов, содержащий газоразрядную трубку с рабочими электродами и электропроводной спиралью, расположенной внутри разрядной трубки по всей ее длине коаксиально с ней и выполненной из рабочего вещества, высоковольтный источник импульсного напряжения, соединенный с концами спирали, введены дополнительный высоковольтный источник импульсного напряжения и две коаксиально расположенные диэлектрические трубки, при этом электропроводная спираль закреплена между диэлектрическими трубками и выполнена так, что каждый виток образован из не менее двух равных по величине отрезков, расположенных друг от друга с зазором, образующим искровой разрядный промежуток, внутренняя диэлектрическая трубка выполнена с отверстиями, расположенными напротив искровых разрядных промежутков, разрядные электроды размещены на торцах внутренней диэлектрической трубки и соединены с дополнительным высоковольтным источником импульсного напряжения.

Газоразрядная трубка лазера на парах металлов содержит вакуумно-плотную камеру 1 с буферным газом и выходными окнами 2 на торцах, внутри которой по всей ее длине расположена спираль 3 из рабочего металла, внутренняя часть которой является газоразрядным каналом. Концы спирали 3 через высоковольтные вводы 4 подключены к источнику 5 высокого напряжения. Каждый виток спирали 3 состоит из n 2 равных отрезков, расположенных друг от друга с зазором 6, необходимым для возникновения искрового разряда между ними. Шаг спирали 3 задается из расчета обеспечения однородности плазмы паров металла внутри газоразрядного канала. Спираль 3 установлена между двумя коаксиально расположенными диэлектрическими трубками 7, 8, при этом во внутренней трубке 7 выполнены отверстия 9 напротив зазоров 6 спирали 3. Рабочие электроды 10 подключены через высоковольтные вводы 11 к источнику 12 высокого короткоимпульсного напряжения с регулируемой задержкой во времени относительно импульса искрового разряда.

Высоковольтные источники 5 и 12 импульсного напряжения выполнены из высоковольтного выпрямителя, модулятора на тиратроне ТГИ1-100/8 и коммутирующего элемента - водородного тиратрона ТГИ1-1000/25.

Работает газоразрядная трубка следующим образом.

При подаче на электрические вводы 4, соединенные с концом спирали 3, расположенной между двумя коаксиальными диэлектрическими трубками 7, 8, высоковольтного сильноточного импульса в зазорах 6 между отрезками спирали инициируется искровой разряд, вследствие чего формируется плотная плазма паров металла, которая распространяется через отверстия 9 во внутренней трубке 7 в газоразрядный канал. Размеры зазоров 6 определяются условиями возникновения искрового пробоя в инертном газе между отрезками спирали.

Для возбуждения атомов металла в газоразрядном канале, образовавшихся при искровом разряде, на рабочие электроды 10 через высоковольтные вводы 11 подается короткий высоковольтный импульс с источника 12 напряжения, вследствие чего возникает однородный газовый разряд по всей длине газоразрядного канала. Излучение выводится через выходные окна 2 на торцах газоразрядной камеры 1.

Изготовлен и испытан образец предлагаемой газоразрядной трубки лазера на парах меди. Газоразрядная камера выполнена из стеклянной герметичной трубки диаметром 35 мм и длиной 350 мм и наполнена чистым гелием до давления 150 мм рт.ст. Спираль выполнена из медной проволоки диаметром 1,5 мм и содержит 37 равных отрезков, которые образуют 36 разрядных промежутков с зазором 1 мм. Шаг спирали составляет 10 мм. Отрезки спирали закреплены между двумя кварцевыми трубками (схема крепления не принципиальна). Диаметр внешней трубки составляет 15 мм, внутренней трубки - 13 мм. Диаметр отверстий на внутренней кварцевой трубке равен 2 мм.

При прохождении первого импульса тока длительностью 1-2 мкс в зазорах между отрезками спирали формировались искровые разряды с образованием плазмы паров меди. Размеры факелов разлетающейся плазмы 10 мм. Объемный разряд вдоль газоразрядной трубки создавался при прохождении между крайними электродами короткого импульса тока длительностью 200-300 нс, который следует через несколько микросекунд после первого сильноточного импульса тока. Излучение плазмы регистрировалось спектральным прибором с ФЭУ и осциллографом.

Предлагаемая газоразрядная трубка лазера на парах металлов обладает по сравнению с известными расширенными эксплуатационными возможностями, возможностью работы в любом положении с быстрым выходом на рабочий режим одновременно с однородным распределением параметров импульсной плазмы паров металла в объеме газоразрядного канала.

Лазеры на парах металлов, содержащий разрядную трубку с рабочими электродами и электродной спиралью, расположенной в разрядной трубке по всей ее длине коаксиально с ней и выполненной из рабочего вещества, основной высоковольтный источник импульсного напряжения, соединенный с концами спираль, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей путем обеспечения произвольной пространственной ориентации и ускоренного выхода на рабочий режим.

В лазер введены дополнительный высоковольтный источник импульсного напряжения и две коаксиальные диэлектрические трубки, электропроводная спираль закреплена между диэлектрическими трубками и выполнена так, что каждый виток образован из не менее двух равных по длине отрезков, расположенных друг от друга с зазором, образующим искровой разрядный промежуток, внутренняя диэлектрическая трубка выполнена с отверстиями, расположенными напротив искровых разрядных промежутков, при этом рабочие электроды размещены на торцах внутренней диэлектрической трубки и соединены с дополнительным высоковольтным источником импульсного напряжения.

Принцип действия

Лазеры на парах металлов, прежде всего -- это лазеры на парах меди, работающие в желтой и зеленой части спектра, и на парах золота, генерирующие излучение в красной части спектра.

Как следует из названия, для работы таких лазеров необходимы пары металлов, которые получают при нагреве за счет электрического разряда в трубке, заполненной аргоном, металлов, осевших на стенках. Упрощенная схема уровней представлена на рисунке 11.5.

Электронное возбуждение осуществляется при импульсном разряде с уровня 2S1/2 на уровень 2P1/2, при этом создается инверсная населенность относительно уровней 2D5/2 и 2D3/4. На этих переходах и осуществляется вынужденное излучение с длинами волн 0,51 мкм (зеленый) и 0,58 мкм (желтый). Проблема заключается том, что дипольные переходы с уровней D на уровень S запрещены по четности. Поэтому атомы накапливаются на уровнях D, и генерация происходит до достижения нулевого значения инверсии. Длительность импульса излучения составляет величину порядка 10-8с. После этого происходи диффузия находящихся в состоянии D атомов к стенкам трубки, где они переходят в основное состояние.

Подобным образом происходит генерация и в лазере на парах золота с длиной волны излучения 0,6278 мкм, близкой к красной линии гелий-неонового лазера (0,6328 мкм), но с уровнями мощности порядка единиц Ватт.

Такие лазеры могут работать только в импульсно-периодическом режиме с характерными максимальными частотами повторения от 8 до 20 кГц.

Неудобство работы с лазерами на парах металлов заключается в долгом (около получаса) времени выхода на режим. Отсюда следует и практическая невозможность управления выходными параметрами излучения лазера во время работы, если только он не оборудован внешними устройствами модуляции и сканирования (см. ниже). Поэтому такие лазеры в медицине используются весьма неохотно и повсеместно вытесняются лазерами на АИГ:Nd с удвоением частоты излучения с длинами волн 0,53 мкм (основная длина волны 1,06 мкм) и 0,66 мкм (основная длина волны 1,32 мкм). В последнее время еще более мощную конкуренцию в зеленом диапазоне составляют волоконные лазеры с удвоением частоты, а в красном -- полупроводниковые лазеры.

При работе с получившими достаточно широкое распространение лазерами на парах меди необходимо обращать особое внимание на защиту глаз. Дело в том, что из-за малой длительности импульсов импульсная мощность оказывается очень большой и обычно многократно превышает предельно допустимые для глаз уровни. Вопросам безопасности при работе с лазерами посвящена специальная лекция.

Характеристика лазеров на парах металлов

Общая характеристика и принцип действия гелий-кадмиевого лазера

HeCd лазер больше похож на гелий-неоновый лазер, излучающий непрерывно на 442 нм (синий) или 325 нм (ультрафиолетовый) с оптической мощностью порядка 100 мВт. Лазерный переход происходит в Cd+ ионах, которые возбуждаются при столкновениях с возбужденными атомами гелия.

Гелий-кадмиевый лазер, в основе принципа действия которого лежит столкновительная передача энергии возбуждения от метастабильного атома гелия в состоянии 23S1 атому кадмия, сопровождающееся ионизацией этого атома и возбуждением иона. Этот процесс, называющийся пеннинговской ионизацие, происходит по схеме He*+Cd>He+(Cd+ )*+e+E кин

Константа скорости пеннинговской ионизации Кp=<уpх> определяется сечением уp, которая в рассматриваемом случае (уp=6.5*10-15 см 2 )превышает газо-кинетическое сечение.

Процесс типа A*+B>A+(B+)*+e(14.12) возможен только в случае ,когда энергия возбуждения атома А* превосходит энергию ионизации и последующего возбуждения иона В+. Процесс наиболее эффективен если возбужденное состояние А* метастабильно

В общих чертах процесс подобен обсуждаемому ранее применительно к гелий-неоновому лазеру процессу. В отличие от гелий-неонового лазера в случае гелий-кадмиевого лазера точный резонанс возбужденных состояний гелия и кадмия не нужен, так как избыток энергии уносится электроном, что характерно для пеннинговской ионизации.

Важность накопления энергии возбуждения метастабильными состояниями атома гелия и процесса передачи этой энергии кадмию отражены в названии рассматриваемого лазера - гелий-кадмиевый, для сокращения записи этот лазер часто называют кадмиевым.

Схема уравнений энергии гелий-кадмиевого лазера довольно проста.

Она соответствует одному внешнему электрону над замкнутой оболочкой. Метастабильные возбужденные в разряде состояния гелия 21S0 и 23S1 могут возбуждать состояние иона Cd+ 2D3/2 2D5/2 2P3/2 2P1/2. Хотя в пеннинговском процессе резонанс не важен, все же наиболее эффективно возбуждение передается в процессе с наименьшим дефицитом энергии, то есть из состояния 23S1 в состояние 2D3/2.5/2 . Однако инверсная заселенность возникает и удерживается в непрерывном режиме в соответствие с формулой 14,8 благодаря существенно более быстрому распаду нижних(Р) уровней по сравнению с верхними (D).Радиационное время жизни D состояний составляет примерно 10-7 сек, а Р - 10-9 сек. Пленение излучения на переходе на нижний лазерный уровень = основное состояние иона не происходит из-за малой концентрации ионов кадмия.

Лазер на парах меди

На рисунке (ниже) показаны участвующие в процессе генерации уровни энергии двух наиболее важных лазеров указанной категории - лазеры на парах меди и золота. С точки зрения электронной конфигурации уровни Cu и Au весьма схожи. Поэтому в дальнейшем будет рассмотрен только атом меди. Основное состояние 2S1/2 атома меди соответствует конфигурации 3d104s. Когда внешний 4s электрон забрасывается на следующий, более высокий 4р-уровень, заселяются возбуждённые уровни 2P1/2 и 2P3/2. Эти уровни сильно связаны с основным состоянием дипольно разрешённым переходом. Уровни 2D3/2 и 2D5/2 соответствуют конфигурации Зd94s2, имеющей более низкую энергию, а переходы 2D-->2S1/2 дипольно запрещены. Атомы меди из состояния 2р быстро (время жизни порядка 7нс) релаксируют посредством спонтанного излучения в основное состояние 2S1/2, в то время как время релаксации уровней 2D намного больше (около 0,5мкс), поскольку этот переход разрешён слабо. Однако при температурах, которые используются в медном (Т = 1500°С) и золотом (Т = 1650°С, т.к. золото является менее тягучим веществом) лазерах, давление паров достаточно высокое( ~ 0,1 мм.рт.ст.), так что вследствие захвата излучения релаксации по каналу 2p--> 2S1/2 не происходит. Таким образом, единственный эффективный канал релаксации проходит через состояние 2D. Релаксация населённости уровня 2D осуществляется посредством дезактивации на стенках, если внутренний диаметр трубки невелик (<2см). Для трубок больших размеров было показано, что важную роль играет сверхупругое столкновение е + Cu(2D)-->e + Cu(2s1/2). В обоих случаях соответствующее время релаксации очень большое (несколько десятков микросекунд).

Отсюда следует, что генерация на парах меди может осуществляться как на переходе 2P3/2--> 2D5/2 (зелёный), так и на 2P1/2-->2D3/2 (жёлтый). Генерация в парах золота происходит в основном на красном переходе (2P1/2-->2D3/2) поскольку УФ - переход (2P3/2--> 2D5/2) оканчивается на состоянии 2D5/2, которое при рабочей температуре в значительной степени заселено.

Рис. (предыдущая страница) «Уровни энергии атомов меди и золота, участвующие в лазерной генерации»

Лазеры на парах меди работают со средней выходной мощностью до 40 Вт в импульсно периодическом режиме с длительностью импульса порядка 20 нс и с частотой повторения импульсов до 20 кГц. На сегодняшний день они являются самыми эффективными (КПД ~ 1%) лазерными источниками в зелёной области спектра. Этот относительно большой КПД связан с высокой квантовой эффективностью медного лазера ~ 55%, так и с большим сечением перехода 2р--> 2s1/2 при электронном ударе.

Конструктивно лазер состоит из излучателя и блока питания, соединенных кабелем.

Излучатель состоит из корпуса, внутри которого на направляющих размещены оптический резонатор и активный элемент лазера на парах меди (трубка "Кулон", изготовитель НПО "ИСТОК").

Оптический резонатор излучателя - неустойчивый телескопического типа (заднее зеркало - сферическое, R = 1,4 м; выходное - сферическое R = 0,5 м), или устойчивый с плоскими зеркалами. Зеркала помещены в юстируемые оправы.

Активный элемент представляет собой керамическую трубку со встроенными электродами, генераторами меди и окнами для выхода излучения на торцах, заполненную буферным газом. Нагрев разрядного канала с генераторами меди производится от источника питания импульсами амплитудой 10 кВ и длительностью 150 - 200 нс. По мере прогрева трубки давление паров меди в канале увеличивается. Оптимальное давление паров меди, соответствующее наибольшей мощности генерации лазера, достигается при температуре канала около 1600°С.

Для принудительного воздушного охлаждения активного элемента и деталей резонатора в корпусе излучателя также размещен вентилятор.

Некоторые технические параметры данного лазера:

Частота повторения импульсов от 8 кГц до 12 кГц

Средняя мощность излучения не менее 2 Вт

Длительность импульсов генерации 15 нс

Пиковая мощность излучения 50 кВт

Диаметр лазерного пучка 12 мм

Энергетическая расходимость пучка лазерного излучения 0,5 мрад

Литература

1. O. Звелто. «Принципы лазеров».

2. К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, В.А. Тарлыков. «Основы лазерной техники».

Размещено на Allbest.ru