Материал: Матвиенко РГР Квант. эл. 12 вариант

The other transitions in Cd+, primarily at 537.8, 533.7, and 636.0 nm, are more effectively excited by charge transfer from He+ ions than by the other processes described for the blue laser. They operate more effectively in a hollow-cathode type of discharge in which a larger number of He+ ions are produced and are available for excitation of Cd. Several versions of the hollow-cathode type of discharge have been investigated over the years, but there is

FIGURE 1.1 Energy-level diagram for the helium-cadmium and helium-selenium lasers.

currently only one design available commercially that produces a "white light'' output of 15 to 30 mW and low-noise operation (<1/2 percent rms).

Commercial blue lasers are available at power levels ranging from 20 to 100 mW and in sizes ranging from 50 to 200 cm in length with a separate, relatively compact power supply. The lasers operate with noise levels of less than 2 percent rms and typically operate for lifetimes of the order of 3000 to 6000 h. Warmup time to full power is typically 15 min.

Applications for these lasers include printing, microchip inspection, flow cytometry, lithography, and fluorescence analysis.

Helium-Selenium Laser. The helium-selenium laser4 operates in a configuration similar to that of the helium-cadmium laser. Cataphoresis is used to distribute the selenium vapor in the laser bore region, and helium at a pressure of a few torr provides excitation via charge transfer from the He+ ion. This laser has operated on 25 wavelengths simultaneously in the visible spectral region at discharge currents of several hundred mA. The upper laser levels are energetically closely aligned with the He+ ion ground-state energy and allow the laser to operate via the charge transfer mechanism, where the He+ ground-state energy is transferred directly to the upper laser levels of Se+ as indicated in Fig. 4.5. This laser was available commercially for a short time but is no longer on the market. Problems associated with the control of the Se vapor within the laser tube significantly restricted the useful lifetime of the laser.

Переклад

Лазери на парах металів

Приблизно від 75 до 80 видимих лазерних переходів було зареєстровано в парах більше 30 елементів. Було виявлено, що ці переходи варіюються від першого іонного лазера, де в парах ртуті коливання відбувається в червоній частині спектра при довжині хвилі 615,0 нм, в гелій-кадмиєвому лазері при 441,6 нм в синій частині видимого спектру. Інші добре відомі лазери на парах металів включають в себе імпульсний лазер на міді з довжиною хвилі 510,5 і 578,2 нм, а лазер на парах золота при 627,8 нм. Також були розроблені імпульсні видимі лазери з іонами стронцію, з довжиною хвилі 407,7, 416,2 і 430,5 нм. Лазером з, мабуть, одним з найширших вихідних спектральних діапазонів, є гелій-селеновий лазер, який виробляє більше 35 лазерних переходів у видимій області спектра в діапазоні від 446,7 до 653,4 нм.

Гелій-кадмієвий лазер. Лазер, що працює на довжині хвилі 441,6 і 325,0 нм, є найвідомішим і найбільш широко використовуваним лазером на парах металу. У нього синій перехід - короткохвильовий, у УФ-лазера довжина хвилі становить 325,0 нм. УФ лазер був самим короткохвильовим лазером протягом багатьох років (до тих пір, поки число переходів в області від 200 до 300 нм не встигли розробити в Ar2 + і Ar3 + лазерах при роботі з високими струмами і шляхом підвищення якості дзеркал резонатора). Ряд інших лазерних переходів також було розроблено в розряді гелій-кадмиєвого лазера. Найбільш значущими з них є переходи на 537,8 і 533,7 нм в зеленій зоні і при 636,0 нм в червоній зоні. Ці переходи працюють найефективніше в різних умовах плазми, ніж синій перехід у УФ лазерів і, як правило, оптимізовані з різним типом розрядної трубки, відомої як порожнистий катод трубки. Коли всі ці переходи (синій, зелений і червоний) одночасно генерують випромінювання, то, в результаті вихідний сигнал являє собою білий світ, який протягом багатьох років був досліджений для використання в копіювальних системах.

Синій і УФ лазери працюють в основному в позитивному розряді постійного струму, при токах в діапазоні від 60 до 70 мА, отвір скляної розрядної трубки становить від 1 до 2 мм. Тиск газів щодо високого і низького струму потрібні в більшості лазерів. Ніяких додаткових вимог охолодження не потрібно. Деякі моделі, однак, використовують невеликий вентилятор охолодження. Лазерна трубка заповнена газоподібним гелієм при тиску приблизно від 5 до 7 мм рт.ст. і Cd подається в розряд з бічного резервуара за допомогою процесу, відомого як катафорез. У цьому процесі Cd випаровується в анодному кінці трубки і мігрує до катода, де він конденсується в неопалюваній області скляної трубки. Кілька грамів Cd досить для того, щоб забезпечити до 5000 годин безперервної роботи лазера.

Одномодовий режим синього лазера зазвичай становить від 15 до 20 мВт для 25-30 см розряду. Кожна лазерна трубка забезпечена резервуаром He для того, щоб замінити гелій, який поступово втрачається за рахунок дифузії через стінки трубки, а також шляхом захоплення, в якості якого Cd конденсується в неопалюваних катодних регіонах. Тиск Не під електронним контролем регулюється для оптимальної вихідної потужності лазера.

Більш потужні версії цього лазера розроблені шляхом з'єднання двох невеликих трубок разом, щоб розділити загальний катод, що ефективно подвоює довжину посилення і тим самим значно збільшує доступну потужність. Такі трубки пропонують потужність порядку від 75 до 100 мВт при 441,6 нм.

Сині і УФ переходи в Cd є кілька унікальними і спектроскопічними, в порівнянні з іншими лазерними переходами, оскільки вони включають внутрішню електронну конфігурацію оболонки. Конфігурація верхнього лазерного рівня є 4d95s2, в той час як нижній лазерний рівень є 4d105p. Отже, коли електронні переходи відбуваються між цими рівнями, два електрона повинні змінити свій стан імпульсу, з одного 5s електронних стрибків, щоб заповнити 4d оболонку, а інший змінюється до 5p. Такий перехід, менш вірогідний, ніж більш типовий видимий електронний перехід, який вимагає тільки одного змінювального електрона. Ці специфічні Сd+ переходи мають відносно довгий радіаційний час життя (-700 нс) і стимульоване випромінювання поперечного перетину 4 X 10-14 см^2. Коефіцієнт посилення при 441,6 нм, як правило, дорівнює 0,0003 см, що значно вище, ніж у гелій-неонового лазера.

Унікальна електронна конфігурація для цих переходів також призводить до великого ізотопного спектрального зсуву при 441,6 нм для різних ізотопів Cd. Металевий Cd, що зустрічається в природі, складається з декількох ізотопів, і ізотопний зсув між сусідніми парними ізотопами - близько доплеровскої ширини (1,1 ГГц). Найбільш рясні ізотопи Cd 110 (12 відсотків), Cd 111 (13 відсотків), Cd 112 (24 відсотки), Cd 113 (12 відсотків), Cd 114 (29 відсотків) і Cd 116 (8 відсотків). Отже, так як більшість лазерів зазвичай використовують природні Cd, спектральний вихід лазера значно ширше, ніж просто доплеровскої ширини одного ізотопу. Часто тільки два найсильніших ізотопу, Cd 112 і Cd 114, беруть участь у виході лазера, який забезпечує комбіновану смугу пропускання 2,6 ГГц для підсилює середовища.

Унікальна електронна конфігурація також призводить до унікальних механізмів збудження, як показано на рис. 1.1. Деякі з них були визначені для цих лазерних переходів. Перший механізм визначив цей процес, відомий як пеннінговська іонізація, в якій порушені (метастабільні) атоми гелію передають свою енергію Cd, аналогічно роботі лазера He-Ne. Проте, в разі Cd, іони утворюються в процесі порушених нейтральних атомів, як і в разі неону, внаслідок значно нижчого потенціалу іонізації Cd, ніж від Ne. У Cd, викинутий електрон в процесі іонізації займає надлишок енергії. Процес перенесення особливо посилюється в Cd.

Другий механізм являє собою двоступеневе електронне збудження, де перше зіткнення електронів виробляє основний стан Cd + іонів, і другий електрон виробляє зіткнення верхніх лазерних рівней Cd + (по аналогії з Ar + збудженням). Двоступенева електронна іонізація і процес Пеннінга є основними механізмами збудження для звичайного He-Cd лазера. Але, існує ще якесь питання про те, який процес домінує при різних умовах експлуатації.

Третій механізм був визначений нещодавно, їм є фотоіонізація атома Cd, яка використовує дуже короткохвильові фотони (м'які рентгенівські промені). Наприклад, коли пари Cd при тиску порядку 1 Торр опромінюються фотонами в діапазоні довжин хвиль від 10 до 70 нм, ці фотони будуть безпосередньо порушувати тільки іони Cd + в верхньому лазерному рівні (4d95s2). Цей процес був вперше показаний шляхом закачування Cd парів при короткохвильових лазерних плазмових джерел, але він також діє в плазмі розряду трубки He-Cd через наявність значної емісії гелію при довжині хвилі від 30 до 60 нм в області спектра, під час роботи лазера He -Cd. Механізм, як вважають, грає лише незначну роль у функціонуванні позитивного стовпа He-Cd лазера внаслідок щодо низької щільності Cd для оптимальної вихідної потужності лазера, що дозволяє уникнути більшу частину м'якого рентгенівського випромінювання, перед тим, як відбувається поглинання атомами Cd.

Інші переходи в Cd +, в першу чергу на 537,8, 533,7 і 636,0 нм, більш ефективно збуджуються перенесенням заряду від He + іонів, ніж іншими способами, описаними для синього лазера. Вони працюють більш ефективно з порожнистим катодом розряду, в якому проводиться більше число іонів He + і вони доступні для збудження Cd. Кілька версій типу з порожнистим катодом розряду досліджені протягом багатьох років, але в даний час існує тільки одна доступна конструкція, яка виробляє "білий світ '' при виході від 15 до 30 мВт і роботи з низьким рівнем шуму.

Гелій-Селеновий лазер. Гелій-селеновий лазер працює в конфігурації, аналогічної гелій-кадмієві лазеру. Катафорез використовується для розподілу парів селену в каналі лазерної області, і гелій при тиску в кілька торр забезпечує збудження через перенесення заряду від іона He +. Цей лазер працює на 25 довжинах хвиль одночасно у видимій області спектра при струмах в кілька сотень мА. Верхні лазерні рівні енергетично тісно пов'язані з енергією основного стану He + іонів і дозволяє лазеру працювати через механізм переносу заряду, де енергія основного стану He + передається безпосередньо в верхніх лазерних рівнях Se +, як показано на рис. 1.1. Цей лазер був доступний у продажу протягом короткого проміжку часу, але вже не на ринку. Проблеми, пов'язані з управлінням парів Se в лазерній трубці значно обмежили корисний термін служби лазера.

Завдання 3 Принцип роботи лазера на рубіні. Схема енергетичних рівнів рубінового лазера

Рубіновий лазер переважно працює в імпульсному режимі і генерує випромінювання на довжині хвилі =0,6943 мкм. Через можливість отримання великих імпульсних потужностей, а також наявності рубінових кристалів високої оптичної якості рубіновий лазер і в даний час один з найбільш відомих твердотільних лазерів.

Рубін - дорогоцінний матеріал, в чистому вигляді рідко зустрічається в природі. Це діамагнітний кристал окису алюмінію Al₂O₃ (-корунду) з парамагнітними домішковими іонами хрому Cr³⁺. Залежно від концентрації хрому кристал -корунду приймає різні кольори: 0,5% Cr - яскраво червоний, більше 8% Cr- зелений колір кристала.

Рубінові кристали мають стрижневу форму діаметром 0,3-2 см і довжину до 30 см. Рубінові кристали оптично хорошої якості відносно легко виготовляти, вони мають велику механічну міцність і високу теплопровідність, полегшують охолодження кристала.

Кристали рубіна переважно вирощують полум'яним методом, при якому в спеціальній воднево-кисневій печі розташовують порошкоподібні Al₂O₃ та Cr₂O₃ при температурі понад 2000 К, рідше використовують метод витягування кристалічного стержня з розплаву, що міститься в тиглі.

Спотворення симетрії кристала приводить до внутрішнього напруження і дефектів структури кристала. Показник заломлення рубіна для різних полярязацій і для звичайного променя становить ~ 1,76. Міцність кристала 3800 кг/см².

Рис 3. - Структура комірки кристала рубіна.

Діаграма рівнів енергії іонів Cr³⁺ в рубіні складається з двох наборів рівнів (рис 4): а) характерний для стану іона Cr³⁺ зі спіном S=3/2, нижній рівень набору ⁴А₂ - основний стан Cr³⁺ - має два підрівні з відстанями між ними 0, 3 см^-1. Два верхніх рівня представляють собою рівні резонансного поглинання. Вони складаються з шести дублетів і внаслідок неоднорідності поля сильно розмиті. Другий набір рівнів (рис. 2(б)) відповідає станам іонів Cr³⁺ зі спіном S=1/2.

Рис 4. (а) - схема енергетичних рівнів і ймовірностей переходів для іонів Cr³⁺ в рубіні при температурі Т = 4,2 К і (б) - розрахункова схема енергетичних рівнів активної речовини трирівневого лазера.

Рівень ²Е - метастабільний, двічі вироджений, розщеплений на два підрівні з проміжком 29см^-1, рівні A є орбітальними синглетами. Положення рівнів ³F, ²Е мало залежить від неоднорідностей кристала, і вони практично не мають розширення. В результаті спін - орбітальні взаємодії іонів Cr³⁺ з полем кристала електронного стану, відповідні енергетичним рівням кристала, позначаються змішаними станами. Це призводить до того, що випромінювальні переходи з рівнів ⁴F, ⁴F₂ на ²F₁ та ²Е заборонені правилами відбору для спіна. Однак між цими рівнями здійснюються інтенсивні безвипромінювальні переходи S₃₂~(2…5)*10⁷c^-1 з величезним виділенням тепла. При порушенні оптичним накачуванням в смугах ⁴F₁,⁴F₂ зміна заселеності рівнів пов'язана зі спонтанними переходами на нижні рівні, індукованим поглинанням і випромінюванням і безвипромінювальними переходами.

Збуджені квантові частинки (іони хрому) з основного рівня ⁴А₂ переходять на резонансно поглинальні рівні ⁴F₁, ⁴F₂. Час життя частинок в збудженому стані малий. Рівні ⁴F₁, ⁴F₂ внаслідок спонтанного переходу частинок на основний ⁴А₂ рівень з ймовірністю А₃₁=3*10⁵с^-1 і безвипромінювального переходу з ймовірністю S₃₂=(2…5)10⁷c^-1 на метастабільний стан ²Е швидко збіднюється. Так як ймовірність спонтанного переходу з рівня Е мала (А₂₁~3*10²с^-1), то на рівнях і можливе утворення інверсії населеності частинок. При досягненні порогового значення інверсії N=0,5N₀ відбувається спонтанне і вимушене випромінювання.

Якщо інверсія заселеності не досягає порогового значення, то спостерігається тільки спонтанне випромінювання у вигляді люмінесценції рубіна на одній з двох вузьких ліній R₁ (₁=6943А), або R₂ (₂=6929А) з рівнів. Квантова ефективність в R-лініях становить ~ 0,52. Практично рубіновий лазер випромінює на R₁ - лінії, тому що ймовірність переходу в ній вище і швидше досягає порогової умови.

Не всі енергетичні стани беруть участь в процесі генерації індукованого випромінювання. Тому з деякою часткою похибки зручно представити етапи поглинання і збудження, створення інверсії і випромінювання у вигляді трирівневої моделі з відповідними квантовими переходами і населенням.

В рівень Е₃ зазвичай включають зелену (⁴F₂) і синю (⁴F₁) смуги поглинання, які відіграють основну роль у збудженні рівнів та . Ці рівні характеризуються великою швидкістю релаксації коливань кристалічної решітки. Основний стан Е₁ при температурі Т=300 К можна розглядати як один рівень з виродженням g₁=4. У кристалі рубіна з масовою концентрацією хрому, рівної 0,05%, при температурі Т=300 К ймовірність безвипромінювального переходу становить близько 2*10⁷с^-1, а час життя квантових частинок в метастабільних станах дорівнює приблизно 3*10^-3с. Якщо проводити накачування світловим потоком, паралельним осі Z рубіна, то показник поглинання для генерації R₁ - лінії становить 0,4 см^-1, а поперечний переріз поглинання одно 2,5*10^-20. Зазвичай при практичних розрахунках рубінового лазера застосовується наближена трирівнева модель станів.

Рубінові лазери, в даний час застосовуються менш широко, оскільки вони були витіснені лазерами на склі з неодимом. Оскільки рубіновий лазер насправді працює за трирівневою схемою, необхідна гранична енергія накачування приблизно на порядок перевищує відповідну величину для Nd лазера таких розмірів. Однак рубінові лазери все ще широко застосовуються в деяких наукових і технічних дослідженнях, для яких коротша довжина хвилі генерації рубіна дає суттєву перевагу перед Nd:YAG.

Створення лазера стало можливим після того, як були знайдені способи здійснення інверсної населеності рівнів. У побудованому Мейманом першому лазері робочим тілом був циліндр з рубіна. Діаметр стрижня був близько 1 см, довжина - близько 5 см. Торці стрижня були відполіровані і представляли собою строго паралельні один одному дзеркала. Один торець покривався щільним непрозорим шаром срібла, інший торець покривався таким шаром срібла, який пропускав близько 8% у полеглої на нього енергії. У лазері рубін висвітлюється імпульсної ксенонової лампою, яка дає світло з широкою смугою частот.