Лазеры на самоограниченных переходах

Лазерами на самоограниченных переходах называются системы, инверсная заселенность которых исчезает в результате появления генерации. Такие лазеры могут работать только в импульсно-периодическом режиме. Наиболее типичным представителем этого класса являются газоразрядные лазеры на парах металлов. Генерация в них осуществляется на переходах между электронными уровнями. На рис. 38 изображена схема уровней атома меди — одного из наиболее перспективных рабочих веществ.

До начала разряда практически все атомы находятся в основном состоянии. Заселение электронных уровней осуществляется при протекании импульсного разряда. Максимальная скорость возбуждения имеет место, как правило, для первого резонансного уровня и существенно превышает скорость возбуждения других уровней, в том числе и метастабильных. Поэтому в первые моменты разряда, когда основную роль играют процессы возбуждения с основного состояния, между резонансным и метастабильным уровнями образуется инверсная заселенность и может осуществляться генерация. Время ее существования определяется радиационным временем жизни верхнего лазерного уровня относительно перехода на нижний уровень и составляет 10 -10 с. В разряде с большой концентрацией электронов это время может стать еще короче из-за девозбуждения верхнего лазерного уровня при ударах второго рода. На практике длительность генерации в таких системах составляет 10 -10 с. Девозбуждение нижнего лазерного уровня осуществляется в промежутках между последующими импульсами, и скорость этого девозбуждения, определяемая процессами в объеме газа и на стенке, ограничивает частоту повторения импульсов излучения.

Оптимальное давление паров металлов составляет обычно ~0,1-1 торр, что достигается лишь при высоких температурах рабочего вещества ~(1 — 2) 1000К.

Характерной особенностью лазеров на парах металлов является высокий коэффициент

усиления активной среды. В медных лазерах он достигает ~100 см и поэтому генерация в них при достаточной длине может возникать даже в отсутствие зеркал резонатора. Большой коэффициент усиления и короткие импульсные излучения позволяют получать достаточно высокие импульсные и средние мощности излучения при малых габаритах лазеров.

Характеристики некоторых импульсных лазеров на самоограниченных переходах металлов представлены в табл. 4. Наблюдаемое большое различие между обусловлено сложностями создания импульсов тока накачки с длительностями порядка длительности генерации. Схема устройства лазеров на парах металла практически не отличается от других лазеров с

газоразрядными трубками, однако, сама конструкция существенно усложняется из-за необходимости поддержания рабочего вещества при высокой температуре. Это обстоятельство приводит к созданию технологически сложных металлокерамических конструкций.

Один из способов устранения конструктивных и эксплуатационных недостатков лазеров на парах металлов заключается в использовании для получения рабочих атомов не самих металлов, а их молекулярных соединений с иодом, бромом и т. д. Так, например, использование разряда в галогенидах меди позволило получить хорошие характеристики лазера на парах меди при температуре ~800 К вместо 1800 К для металлической меди.

Лазеры на парах металлов в последнее время привлекают пристальное внимание специалистов в самых различных областях лазерной технологии. Благодаря возможности хорошей фокусировки и видимому диапазону спектра излучения медный лазер можно с успехом использовать для скрайбирования и резки тонколистовых материалов. Особый интерес он вызывает как источник накачки перестраиваемых лазеров на красителях, используемых в селективной технологии. Вместе с лазерами на парах золота медный лазер находит применение в медицине.

Генерация на самоограниченных переходах может осуществляться не только в атомах металлов, но и в молекулах некоторых газов, например N , Н . Наибольший интерес представляет азотный газоразрядный лазер. Благодаря излучению в ультрафиолетовой области спектра этот лазер находит применение при изучении и проведении различных селективных процессов, а также для накачки лазеров на красителях.

Эксимерные лазеры

Х +2Х Х +Х, Х +Y ХY +Y, Х +У +е ХУ +У.

Рабочей частицей в эксимерных лазерах являются молекулы — димеры некоторых благородных газов и их галоидов, способные существовать устойчиво только в возбужденном состоянии. Это обстоятельство объясняет их название excited dimmer, т.е. димеры в возбужденном состоянии. Механизмы создания инверсной заселенности эксимерных лазеров иллюстрируются схемой электронных уровней димера ХУ (Хсоответствует атомам благородных газов: Хе, Kr, Ar, а Y — галогенам F, Cl, Br и т. д.) (рис. 39). Основное состояние молекулы ХУ неустойчиво, т.е. характеризуется отталкивательным термом. Потенциальная яма, свидетельствующая о возможности появления устойчивого состояния, образуется только при возбуждении молекулы. Создание возбужденных молекул Х и ХУ возможно следующими способами:

(1.52)

 

Е,эВ 3

~

~

~г,~]з

, 578 нм I 1! I 1! 1! 1! 1! 1!

511 нм

Си

Рис. 38

3/2,5/2

тушение на стенке ~|/г

Рис. 39

 

Времена жизни возбужденных молекул Х , или ХУ относительно радиационных процессов составляет 10 -10 с. Оказавшись в основном состоянии, молекула распадается. Поэтому радиационное разрушение верхнего уровня происходит по схеме

XY или X (1.53)

Развал молекулы в основном состоянии обеспечивает автоматическое опустошение нижних лазерных уровней. Из-за отталкивательного характера нижнего терма генерация эксимерных лазеров, как видно на рис. 39, может осуществляться в широкой полосе длин волн. Отличительной чертой эксимерных лазеров являются также весьма высокие значения квантового КПД.

Характеристики лазерных переходов эксимерных лазеров приведены в табл. 5.

Широкая линия усиления, малое время жизни верхнего лазерного уровня, а также необходимое для эффективного протекания процессов (1.52) высокое давление рабочей смеси приводят к необходимости осуществления высокой интенсивности накачки с энерговкладом 0.1-1 Джlсм за время 0,1-1 нс. Возбуждаемые электронным пучков по схеме лазеры на димерах благородных газов работают на однокомпонентных средах при давлениях 10 атм и позволяют получать мощность излучения в импульсе до 10 -10 Вт при КПД до 20%.

Возбуждение лазеров на эксимерах галоидов инертных газов можно проводить не только в тройных, но и в бинарных столкновениях (два последних уравнения (1.52)). Это позволяет снизить давление рабочей смеси до 0,5-1,5 атм (инертный газ — 10-100 торр, галогены или галогеноносители типа SF , NF ~ 1-10 торр, остальное буферный газ — Ne или Ar) и использовать для ее возбуждения газоразрядную импульсную технику с предварительной ионизацией разрядного промежутка. Энергия таких эксимерных лазеров в моноимпульсе может достигать ~ 100Дж (KrF) при КПД ~2% и импульсной мощности Вт.

Газоразрядный способ возбуждения позволяет осуществлять и импульсно- периодический режим генерации эксимерных лазеров. Достигнутая в настоящее время частота повторения импульсов составляет ~100 -1000 Гц при средней мощности излучения ~10-100 Вт и КПД~ 1%.

Интерес, проявляемый в последнее время к развитию техники эксимерных лазеров, обусловлен не только научными, но и практическими перспективами их использования. Эксимерные лазеры являются уникальными источниками мощного излучения в ультрафиолетовой части спектра, обеспечивающими при этом возможность плавной перестройки частоты генерации в широком диапазоне длин волн. Излучение созданных эксимерных лазеров охватывает -20% всей области ультрафиолетового диапазона. Поэтому наиболее плодотворное применение эксимерных лазеров, по-видимому, будет связано с селективными процессами лазерной фотохимии.

Таблица 5. Активные среды эксимерных лазеров

Молекулы	Ar2	Kr2	Xe2	ArF	KrCl	KrF	XeBr	XeCl	XeF
Длина волны центре линии, нм	126.1	146.7		193.3		248.4	281.8		351.1
Ширина ПОЛОСЫ усиления, нм		13.8		1.5				2.5	1.5
Длительность им- пульса излучения, нс			3-20	10-50	10-30	1-100			1-10
Достигнутые энергии излучения в импульсе, Дж	-	-	0-1		0.1-1		-	-	0.1-1
Способ возбуждения	П	П	П	П,P	П	П,P	П	П	П,P