Сообщение на тему газовый лазер

Обновлено: 05.07.2024

лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в Оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным.

Испущенная в каком-либо месте трубки световая волна при распространении её через газ усиливается за счёт актов вынужденного испускания, порождающих лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично проходит через него. Эта часть световой энергии излучается Г. л. вовне. Другая же часть отражается от зеркала и даёт начало новой лавине фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению распространения. Благодаря этому излучение лазера может обладать чрезвычайно большой монохроматичностью, мощностью и резкой направленностью (см. Лазер, Квантовая электроника).

Первый Г. л. был создан в США в 1960 А. Джаваном. Существующие Г. л. работают в очень широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетового излучения до далёкого инфракрасного излучения — как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В табл. приведены некоторые данные о наиболее распространённых Г. л. непрерывного действия.

Из Г. л., работающих только в импульсном режиме, наибольший интерес представляют лазеры ультрафиолетового диапазона на ионах Ne (λ = 0,2358 мкм и λ = 0,3328 мкм) и на молекулах N₂ (λ = 0,3371 мкм). Азотный лазер обладает большой импульсной мощностью.

В излучении Г. л. наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения (см. ниже) и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность Г. л. С помощью Г. л. возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Открываются новые области применения Г. л., например в космических исследованиях.

Особенности газов как лазерных материалов. По сравнению с твёрдыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе практически не искажается, не рассеивается и не испытывает потерь энергии. В таких лазерах сравнительно просто возбудить только один тип электромагнитных волн (одну моду). В результате направленность лазерного излучения резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией света (См. Дифракция света). Расходимость светового луча Г. л. в области видимого света составляет 10 -5 — 10 -4 рад, а в инфракрасной области 10 -4 — 10 -3 рад.

В отличие от твёрдых тел и жидкостей, составляющие газ частицы (атомы, молекулы или ионы) взаимодействуют друг с другом только при соударениях в процессе теплового движения. Это взаимодействие слабо влияет на расположение уровней энергии частиц. Поэтому энергетический спектр газа соответствует уровням энергии отдельных частиц. Спектральные линии, соответствующие переходам частиц с одного уровня энергии на другой, в газе уширены незначительно. Узость спектральных линий в газе приводит к тому, что в линию попадает мало мод резонатора.

Так как газ практически не влияет на распространение излучения в резонаторе, стабильность частоты излучения Г. л. зависит главным образом от неподвижности зеркал и всей конструкции резонатора. Это приводит к чрезвычайно высокой стабильности частоты излучения Г. л. Частота ω излучения Г. л. воспроизводится с точностью до 10 -11 , а относительная стабильность частоты

Малая плотность газов препятствует получению высокой концентрации возбуждённых частиц. Поэтому плотность генерируемой энергии у Г. л. существенно ниже, чем у твердотельных лазеров.

Одна из особенностей газа (или смеси газов) — многообразие физических процессов, приводящих к его возбуждению и созданию в нём инверсии населённостей. Возбуждение активной среды излучением газоразрядных ламп, нашедшее широкое применение в твердотельных и жидкостных лазерах, мало эффективно для получения инверсии населённостей в Г. л., т. к. газы обладают узкими линиями поглощения, а лампы излучают свет в широком интервале длин волн. В результате может быть использована только ничтожная часть мощности источника накачки (кпд мал). В подавляющем большинстве Г. л. инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразрядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях с частицами газа (электронный удар) возбуждают их, переводя на более высокие уровни энергии. Если время жизни частиц на верхнем уровне энергии больше, чем на нижнем, то в газе создаётся устойчивая инверсия населённостей. Возбуждение атомов и молекул электронным ударом является наиболее разработанным методом получения инверсии населённостей в газах. Метод электронного удара применим для возбуждения Г. л. как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Возбуждение электронным ударом удачно сочетается с др. механизмом возбуждения — передачей энергии, необходимой для возбуждения частиц одного сорта от частиц др. сорта при неупругих соударениях (резонансная передача возбуждения). Такая передача весьма эффективна при совпадении уровней энергии у частиц разного сорта (рис. 1).

В этих случаях создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний лазерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни. Именно по такой схеме осуществляется инверсия населённостей в гелий-неоновом лазере.

неона E₂ и E_3. Уровни обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и инфракрасного излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия. Это позволяет создать необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте.

Основной конструктивный элемент гелий-неонового лазера — газоразрядная трубка (обычно из кварца). Давление газа в разряде 1 мм рт. ст., причём количество Не обычно в 10 раз больше, чем Ne. На рис. 2 приведена конструкция гелий-неонового лазера, разработанная для применения в открытом космосе. Разрядная трубка с внутренним диаметром 1,5 мм из корундовой керамики помещена между полупрозрачным зеркалом и отражающей призмой, смонтированными на жёсткой бериллиевой трубе (цилиндре). Разряд осуществляется на постоянном токе (8 ма, 1000 в) в двух секциях (каждая длиной 127 мм) с общим центральным катодом. Холодный оксиднотанталовый катод (диаметром 48 мм и длиной 51 мм) разделён на 2 половины диэлектрической прокладкой, обеспечивающей более однородное распределение тока по поверхности катода. Вакуумные сильфоны из нержавеющей стали, являющиеся анодами, образуют подвижное соединение каждой трубки с держателями зеркала и призмы. Кожух завершен с левого конца выходным окном. Лазер рассчитан на работу в космосе в течение 10 000 ч.

Мощность излучения гелий-неоновых лазеров может достигать десятых долей вт, кпд не превышает 0,01%, но высокая монохроматичность и направленность излучения, простота в обращении и надёжность конструкции обусловили их широкое применение. Красный гелий-неоновый лазер (λ = 0,6328 мкм) используется при юстировочных и нивелировочных работах (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений). Гелий-неоновый лазер широко применяется в оптической связи и локации, в голографии (См. Голография) и в квантовых гироскопах (См. Квантовый генератор).

Лазер на углекислом газе (К. Пател, США, Ф. Легей, Н. Легей-Соммер, Франция, 1964). Молекулы, в отличие от атомов, имеют не только электронные, но и т. н. колебательные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов, составляющих молекулу, относительно положений равновесия (см. Молекула). Переходы между колебательными уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в которых используются эти переходы, называются молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особенно интересен лазер, в котором используются колебательные уровни молекулы СО₂, между которыми создаётся инверсия населённостей (СО₂-лазер).

В газоразрядных CO₂ -лазерах инверсия населённостей также достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N₂, возбуждаемые, в свою очередь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам CO₂ в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей достигается при добавлении в разрядную смесь Не, который, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO₂. Эффективное возбуждение СО₂-лазеров может быть достигнуто химическими или газодинамическими методами.

Тонкая структура колебательных уровней молекулы C0₂ позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) скачками через 30—50 Ггц в интервале длин волн от 9,4 до 10,6 мкм.

СО₂-лазеры обладают высокой мощностью (наибольшая мощность лазерного излучения в непрерывном режиме) и высоким кпд. При возбуждении молекул CO₂ электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200 м СО₂-лазер излучает мощность 9 квт. Существуют компактные конструкции с выходной мощностью в 1 квт. Кроме высокой выходной мощности, СО₂-лазеры обладают большим кпд, достигающим 15—20% (возможно достижение кпд 40%). СО₂-лазеры могут принципиально эффективно работать и в импульсном режиме. Перечисленные особенности CO₂-лазеров обусловливают многообразие их применения: технологические процессы (резание, сварка), локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с λ = 10 мкм), физические исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (См. Плазма) (высокая мощность излучения), исследование материалов и т. д.

Газоразрядные трубки СО₂-лазеров имеют диаметр от 2 до 10 см, длина их может быть очень большой (рис. 3). Обычно применяются секционные (модульные) конструкции с током разряда до нескольких а при напряжениях до 10 кв на секцию. Т. к. мощность СО₂-лазеров непрерывного действия достигает очень высоких значений, серьёзной проблемой является изготовление достаточно долговечных зеркал хорошего оптического качества. Применяются покрытые золотом сапфировые или металлические зеркала. Вывод излучения зачастую производится через отверстия в зеркалах. В качестве полупрозрачных выходных зеркал применяются пластины из высокоомного германия, арсенида галлия и т. п.

Ионные лазеры (У. Бриджес, США, 1964). В ионных лазерах инверсия населённостей создаётся между электронными уровнями энергии ионизированных атомов инертных газов и паров металлов. Инверсия населённостей достигается выбором пары уровней, для которой нижний лазерный уровень обладает меньшим, а верхний — большим временами жизни. Необходимость создания большого количества ионов приводит к тому, что плотность тока газового разряда в ионных лазерах достигает десятков тысяч а/см 2 Электрический разряд осуществляется в тонких капиллярах диаметром до 5 мм. При больших плотностях тока газ увлекается током от анода к катоду. Для компенсации этого эффекта анодная и катодная области разрядной трубки соединяются дополнительной длинной трубкой малого диаметра, обеспечивающей обратное движение газа.

Ввиду высокой плотности тока для изготовления газоразрядных трубок ионных лазеров применяются металлокерамические конструкции или трубки из бериллиевой керамики, обладающие высокой теплопроводностью. Кпд ионных лазеров не превышает 0,01%. В области видимого света сравнительно высокой мощностью в непрерывном режиме обладают аргоновые лазеры. Аргоновый ионный лазер генерирует излучение с λ = 0,5145 мкм (зелёный луч) мощностью до нескольких десятков вт. Он применяется в технологии обработки твёрдых материалов, при физических исследованиях, в оптических линиях связи, при оптической локации искусственных спутников Земли.

Ионный лазер на смеси ионов аргона и криптона обладает способностью перестраиваться по длине волны (сменой зеркал) во всём видимом диапазоне. Он излучает мощность до 0,1 вт на волнах 0,4880 мкм (синий), 0,5145 мкм (зелёный), 0,5682 мкм (жёлтый) и 0,6471 мкм (красный луч).

Весьма перспективен лазер на парах кадмия, работающий в непрерывном режиме в синей (0,4416 мкм) и ультрафиолетовой (0,3250 мкм) областях спектра и обладающий высокой монохроматичностью. Пары Cd образуются в испарителе, расположенном около анода (рис. 4). Они сильно разбавлены Не. Равномерное распределение Cd в газоразрядной трубке и подбор его концентрации достигаются увлечением паров Cd ионами Не от анода к катоду. Плотность паров Cd определяется температурой подогревателя. В охладителе около катода Cd конденсируется. Трубка диаметром 2,5 мм и длиной 140 см при давлении Не 4,5 мм рт. ст., температуре подогревателя 250 °С, токе разряда 0,12 а и напряжении 4 кв позволяет получить мощность 0,1 вт в синей и 0,004 вт в ультрафиолетовой областях спектра. Кадмиевый лазер применяется в оптических исследованиях (см. Нелинейная оптика), океанографии, а также фотобиологии и фотохимии.

Газодинамические лазеры (В. К. Конюхов и А. М. Прохоров, СССР, 1966). Характерной особенностью газов является возможность создания быстрых потоков газовых масс. Если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через сопло, то его температура резко падает. При внезапном снижении температуры молекулярного газа колебательные уровни энергии молекул могут оказаться возбуждёнными (газодинамическое возбуждение). Существует СО₂-лазер с газодинамическим возбуждением. При газодинамическом возбуждении тепловая энергия непосредственно преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Мощность излучения газодинамических лазеров, работающих в непрерывном режиме, достигает 100 квт.

Химические лазеры. Инверсия населённостей в некоторых газах может быть создана в результате химических реакций, при; которых образуются возбуждённые атомы, радикалы или молекулы. Газовая среда удобна для химического возбуждения, т. к. реагирующие вещества легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Примером химического возбуждения может служить возбуждение при цепной реакции соединения фтора с дейтерием, в результате которой получается возбуждённый дейтерид фтора DF, передающий в дальнейшем энергию своего возбуждения молекулам CO₂. Удаление продуктов реакции обеспечивает непрерывный характер работы этих лазеров.

К химическим лазерам примыкают Г. л., в которых инверсия населённостей достигается с помощью реакций фотодиссоциации (распада молекул под действием света). Это быстропротекающие реакции, в ходе которых возникают возбуждённые радикалы или атомы. Существует лазер на фотодиссоциации молекулы CF_зI (С. Г. Раутиан, И. И. Собельман, СССР). Диссоциация происходит под действием излучения ксеноновой лампы-вспышки. Осколком реакции является возбужденный атомарный ион I +

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Газовый лазер. Презентация на заданную тему содержит 9 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

Лазер — это устройство, создающее узкий пучок интенсивного света. Лазер — это устройство, создающее узкий пучок интенсивного света. Газовый лазер — лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в газообразном состоянии (в отличие от твёрдых тел в твердотельных лазерах и жидкостей в лазерах на красителях). К достоинствам газовых лазеров можно отнести дешевизну и легкость эксплуатации мощных лазеров, что предопределило их широкое распространение в промышленной резке материалов.

История Создателем газового лазера был американский физик Али Джаван совместно с У. Беннетом и Д. Эрриотом в 1960г. Газовый лазер был первым непрерывным лазером, применявшимся в телекоммуникационной индустрии совместно с волоконной оптикой.

Особенности действия газовой среды Газ имеет преимущества в виде однородности и небольшой плотности. Эти качества позволяют лазерному потоку не искажаться, не терять энергию и не рассеиваться. Также газовый лазер отличается увеличенной направленностью излучения, предел которой определяет только дифракция света (огибание волнами препятствий).

Принцип работы Для наполнения энергией активного тела в газе применяются электрические разряды, которые вырабатываются электродами в полости трубки прибора. В процессе соударения электронов с газовыми частицами происходит их возбуждение. Таким образом создается основа для излучения фотонов. Вынужденное испускание световых волн в трубке повышается в процессе их прохождении по газовой плазме.

Разновидности газовых лазеров: Углекислотные лазеры Ионные лазеры Гелий-неоновые лазеры Химические лазеры

А газовый лазер это лазер в котором электрический ток разряжается через газ для получения когерентного света. Газовый лазер был первым лазером с непрерывным светом и первым лазером, который работал по принципу преобразования электрической энергии в выходной лазерный свет. Первый газовый лазер Гелий-неоновый лазер (HeNe), был изобретен ирано-американским физиком Али Джаван и американский физик Уильям Р. Беннетт младшийв 1960 году. Он давал когерентный световой луч в инфракрасной области спектра на 1,15 мкм. [ нужна цитата ]

Содержание

Виды газового лазера

Газовые лазеры, использующие много газов, были созданы и используются для многих целей.

Лазеры на углекислом газе, или же CO₂ лазеры могут излучать сотни киловатт [1] при 9,6мкм и 10,6 мкм, и часто используются в промышленности для резки и сварки. Эффективность CO₂ лазер более 10%.

Гелий-неоновые (HeNe) лазеры можно заставить колебаться на более чем 160 различных длинах волн, настроив резонатор Q так, чтобы он достигал максимума на желаемой длине волны. Это можно сделать, регулируя спектральный отклик зеркал или используя дисперсионный элемент (Призма Литтроу) в полости. Блоки, работающие на 633 нм, очень распространены в школах и лабораториях из-за их низкой стоимости и почти идеального качества луча.

Азотные лазеры работают в ультрафиолетовом диапазоне, обычно 337,1 нм, используя в качестве активной среды молекулярный азот, накачиваемый электрическим разрядом.

Химические лазеры

Химические лазеры питаются за счет химической реакции и могут достигать высокой мощности при непрерывной работе. Например, в фтороводородный лазер (2,7–2,9 мкм) и лазер на фториде дейтерия (3,8 мкм) реакция представляет собой комбинацию газообразного водорода или дейтерия с продуктами сгорания этилен в трифторид азота. Они были изобретены Джордж К. Пиментел.

Химические лазеры работают за счет химической реакции, позволяющей быстро высвободить большое количество энергии. Такие очень мощные лазеры особенно интересны для военных. Кроме того, были разработаны химические лазеры непрерывного действия с очень высокими уровнями мощности, питаемые потоками газов, и они имеют некоторые промышленные применения.

Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры питаются от химической реакции с участием возбужденный димер, или же эксимер, который представляет собой короткоживущую димерную или гетеродимерную молекулу, образованную двумя частицами (атомами), по крайней мере, одна из которых находится в возбужденное электронное состояние. Обычно они производят ультрафиолетовый свет и используются в полупроводниках фотолитография И в ЛАСИК глазная хирургия. Обычно используемые эксимерные молекулы включают F₂ (фтор, излучающий на длине волны 157 нм), и соединения благородных газов (ArF [193 нм], KrCl [222 нм], KrF [248 нм], XeCl [308 нм] и XeF [351 нм]). [2]

Ионные лазеры

Аргон-ионный лазеры излучают свет в диапазоне 351–528,7 нм. В зависимости от оптики и лазерной трубки можно использовать разное количество линий, но наиболее часто используемые линии - это 458 нм, 488 нм и 514,5 нм.

Лазеры на парах металлов

Лазеры на парах металлов - это газовые лазеры, которые обычно генерируют ультрафиолетовый длины волн. Гелий-серебро (HeAg) 224 нм неон-медь (NeCu) 248 нм и гелий-кадмий (HeCd) 325 нм являются тремя примерами. Эти лазеры имеют особенно узкие колебания ширина линии менее 3ГГц (500 фемтометры), [3] делая их кандидатами для использования в флуоресценция подавлен Рамановская спектроскопия.

В Лазер на парах меди, с двумя спектральными линиями: зеленой (510,6 нм) и желтой (578,2 нм), это самый мощный лазер с самой высокой эффективностью в видимой области спектра. [4]

США

Россия

Украина

Беларусь

Молдова

Газовый лазер — это лазер, содержащий вещество газообразного состояния в стеклянной трубке, имеет низкое давление, создающее активную среду. Трубка находится между двумя зеркалами, через которое выводится лазерное излучение. При этом зеркала должны быть настроены так, чтобы световые лучи были параллельны оси. Возбуждение смеси газов происходит разными видами электрического разряда в газах.

Особенности газового лазера определяются значением свойств активной среды, так как ее плотность может быть разной в широких пределах, но намного меньше, чем конденсированной среде.

Энергетический спектр газа соответствует уровню энергии отдельных частиц, так как в отличие твердой материи, частицы газа взаимодействуют друг с другом исключительно при соударениях в процессе теплового движения. Поэтому газовая активная среда преимущественно прозрачная и имеет узкую линию поглощения и излучения. Такой лазер дает возможность получить максимально узкие, но достаточно стабильные линии генерации.

Газовый лазер может работать в непрерывном режиме, а также в импульсном. Эти режимы сами по себе отличаются по своим характеристикам. Характер возбуждения активной среды газового лазера классифицируется на: газоразрядные, с оптическим возбуждением, возбуждением заряженных частиц, химические лазеры и газодинамические. Типы переходов, на которых возбуждается генерация газового лазера, бывает: ионные лазеры, молекулярные лазеры, эксимерные лазеры. Что особенно характеризует свойства лазерного излучения, так это его высокая направленность и монохроматичность, способность работать в непрерывном режиме.

США

Россия

Украина

Беларусь

Молдова

Сегодня самый практичный газовый лазер — это щелевой СО2 с высокочастотным разрядом. Он сильно отличается от углекислотного своим импульсным режимом излучения. Такое излучение имеет импульсный световой поток с частотой 10 — 20кГц. Газовым лазером производят маркировку широким спектром изделий и материалов с отличным качеством, как на твердых материалах, так и более мягких. Твердые материалы — алюминий, металлы, сплавы металлов, керамика, стекло, твердый пластмасс. Мягкий материал может быть органическим — из бумаги, дерева, акрила, резины, кожи, ткани, картона. Марку СО2 широко используют для резки почти любых металлов и неметаллов. Для резки металлов уровень мощности необходим от 500 Вт, а для резки цветных от 1000 Вт, иногда может быть и больше. Используя эту марку лазера деликатно, можно разрезать металл, так как ширина шва уменьшается, а качество увеличивается. Помимо этого, импульсные лазеры режут сталь, титан и даже более мягкие алюминиевые сплавы.

В зависимости от химического состава, можно резать сплавы на медной основе. Еще такие лазеры используют для гравировки. Существуют лазерные станки, режущие дерево и фанеру. И хотя это сравнительно мягкие материалы, работа с ними сложна и квалификация рабочего должна быть очень высокой. В наше время резка фанеры и дерева считается одним из самых эффективных и высокоточных способов обработки.

Оставьте свой комментарий Отменить ответ

Высокоточное оборудование все чаще встречается в производстве. Даже небольшие компании…

Читайте также: