Скачать презентацию Лекция 5 — 6 Введение в специальность Оптика
Лекция 5_6.pptx
- Количество слайдов: 25
Лекция 5 - 6 Введение в специальность “Оптика лазеров” И. М. Белоусова Санкт-Петербург 2011
Типы газовых лазеров • Атомные лазеры, столкновительные лазеры • Ионные газовые лазеры • Лазеры на парах металлов • Лазеры на молекулярных газах • Эксимерные лазеры • Газовые лазеры с оптической накачкой. Фотодиссоционные лазеры. Лазеры на парах щелочных металлов с диодной накачкой • Химические лазеры • Лазеры на свободных электронах. Рентгеновские лазеры. 2
Методы возбуждения и образования инверсии в газовых лазерах 1. Прямое электронное возбуждение атомы молекулы ионы плазма разряда, электронный пучок 2. Передача возбуждения и образование инверсии при неупругих столкновениях атомов и молекул плазма газового разряда 3. Прямое оптическое возбуждение атомы молекулы лампы накачки, солнечное излучение, диоды 4. Химический метод возбуждения химические реакции 5. Тормозное излучение релятивистских электронов в магнитном поле 3
Краткий обзор основных типов газовых и химических лазеров 1. Атомные лазеры. Столкновительные лазеры. Ø Лазеры на инертных газах: Ne, Ar, Kr, Xe • Способ возбуждения: прямой электронный удар • Источник: плазма газового разряда ØЛазеры на смеси инертных газов: He-Ne • Способ возбуждения: электронное возбуждение + неупругие столкновения атомов • Источник накачки: плазма газового разряда Основные параметры для Не-Ne лазера • Спектр: λ 6328 Å; λ 1. 15 мкм; λ 3. 39 мкм • Мощность: рекорд 250 м. Вт • Когерентность, одномодовость, узконаправленность: Δν/ν= до 10 -14 , φ= 10 -4 рад Применение: физический эксперимент, прецизионные измерения: лазерная интерферометрия, навигация, гравитация; оптические стандарты частоты Выпускаются в России: ОАО «Плазма» 4
Газовый лазер на смеси He-Ne Характеристики энергетических состояний: Уровни He : 23 S 1 и 21 S 0 – метастабильные состояния с τ≈1 мс Уровни Ne : 3 S 2 и 2 S 2 – близки к метастабильным уровням He, ΔE ≈ 300 (при KT ≈ 210 см-1) Важное условие τs> τp Состояние 1 s Ne имеет большое время жизни (реабсорбция) Основные генерационные переходы: Столкновительное возбуждение: - скорость частиц - сечение столкновений В стационарных условиях: Уровни энергии гелия и неона При условии 5
Генерационные характеристики He-Ne лазера Схема конструкции лазера Фото He-Ne лазера Br-разряд Тлеющий разряд 30÷ 80 МГц ток 50÷ 100 м. А Теоретический максимальный КПД Pвых , м. Вт PD=4 тор∙мм 5 - физический КПД 4 3 K 0 2 1 1 мм рт. ст. I, м. А 20 100 180 1/10 F(V) N∙ 10 -11 см-3 Te~105 °K ne~1011 см-3 1 s Ne 1/30 f(υ) ne 23 s 1 He 21 s 0 He 23 s 1 Te F(V) – сечение поглощения верхнего уровня Iразр, м. А 100 180 Кинетика и насыщение мощности генерации f(υ) – функция распределения электронов по скоростям 5 20 э. В 6
Параметры He-Ne лазеров Переход Длина Коэф. Уд. волны, усиления, мощность мкм см-1 излучения, Вт/м Вводимая уд. мощность, Вт/м КПД 3 s 2 -3 p 4 3. 39 2∙ 10 -2/R 0. 1 30 0. 3% 3 s 2 -2 p 4 0. 63 2∙ 10 -4/R 0. 05 50 0. 1% 2 s 2 -2 p 4 1. 15 5∙ 10 -4/R 0. 03 50 0. 06% Промышленные He-Ne лазеры Модель Длина волны, мкм Мощность излучения, м. Вт Диаметр пучка, мм Расходимос Потребляемая Относительная ть, мрад мощность, Вт нестабильность мощности оптической частоты излучения за 8 ч, % ЛГН-220 М 0, 63 100 2, 5 1, 5 350 - - ЛГН-220 0, 63 70 2, 5 1 350 5 - ГНИК-3 -4 3, 3922 23, 0 4, 5 120 - - ГНИК-1 -2 1, 15 3 1, 5 2, 5 35 - - ЛГН-118 -3 В 0, 63/1, 15/3, 39 10, 0/5, 0 3, 0/3, 5/4, 0 80 - - ЛГН-303 0, 63 1, 0 0, 8 2, 5 30 2 1∙ 10 -8 7
Лазерные интерферометры 1. Статические интерферометры • Интерферометр Майкельсона • Интерферометр Тваймана-Грина для измерения сферических поверхностей I 1 Центр кривизны ЛАЗЕР Телескоп I 0 I 2 ЛАЗЕР φ – разность фаз интерферирующих пучков φ= KΔ K=2π/λ – волновое число Δ - разность хода Iмакс при φ=2 mπ, когда Δ =2 m λ/2 – четное число полуволн Iмин при φ=(2 m+1)π, когда Δ =(2 m +1)λ/2 При I 1=I 2=I 0/2 Iмакс =2 I 0; Iмин =0 λ/2 Измерение качества плоских поверхностей - λ/100 Определение длины контрастности (контраст падает до 0 на длине когерентности) 8
2. Ионные лазеры Лазеры на ионах инертных газов и металлов Наиболее разрабатываемые и применяемые: Ar II, Kr II, Ar II - Kr II • Способ возбуждения: электронное возбуждение • Источник: плазма сильноточного дугового разряда • Спектр: от 0. 2 до 1. 5 мкм Наиболее характерные линии: Аргоновый лазер Ar II λ 4500÷ 5000 Å Криптоновый лазер Kr II λ 6471 Å Кадмиевый лазер Cd II λ 4471 Å • Мощность излучения: от 0. 01 до 20 Вт Рекорд: 500 Вт Характеристики излучения: • Одномодовые, многомодовые, однолинейные, одночастотные • Режим работы: непрерывный Область применения: голография, локация, медицина – хирургия Выпускаются в России: ОАО «Плазма» 9
Ионные лазеры Генерация осуществляется на ионах: Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg, B, In, C, Si, Ge, Sn, Pb, N, F, As, Sb, Bi, O, S, Se, Te, F, Cl, Br, I, Ne, Ar, Kr, Xe Процесс возбуждения λ от 0, 2 ÷ 1. 5 мкм Аргоновый лазер – наиболее изучен и налажен промышленный выпуск Ø Прямые процессы Схема энергетических уровней Ar(3 p 6)+e→Ar*(3 p 54 s)+e E , э. В 3 p 44 p Ar+ 35 30 реабс. 25 20 3 p 5 Ar+ 15 3 p 5 4 s Ar 10 5 0 λгенер=5145 Å и 4880 Å 3 p 6 1 S 0 Ar Ar(3 p 6)+e→Ar+(3 p 5)+e Ø Ступенчатые процессы Ar+( 3 p 5)+e→Ar+(3 p 44 s)+e Ar( 3 p 5)+e→Ar+(3 p 44 p)+e Ar*(3 p 54 s)+e→Ar+(3 p 44 s) Ar*(4 s)+e→Ar+(4 p) Радиационное время жизни верхних уровней в 25 раз больше нижних. Это условие инверсии. Реабсорбция (поглощение) на нижний уровень не происходит из-за эффекта Доплера при движении ионов в электрическом поле 10
Технические параметры аргоновых лазеров Конструкция 1 — окна под углом Брюстера; 2 — катод; 3 — система охлаждения; 4 — керамический капилляр; 5 — обмотка соленоида; 6 — анод; 7 — обводной канал • Возбуждение – сильноточный дуговой разряд • Рабочее давление – несколько десятых тор • Катод: оксидированный или импрегнированный(вольфрамовая губка, пропитанная алюминатом бария) • Разрядная трубка – капилляр Токи – несколько сот А/см 2 • Ионы Ar+→ к катоду →обводной путь • Применяется магнитное поле (1 КЭ) для сжатия токопроводящего канала • Водяное охлаждение Применяют: тугоплавкие материалы (молибден, тантал, Be. O-керамика), разделенные изоляционным материалом. Секционированная керамика. Срок службы – несколько тысяч часов
Мощность ионного аргонового лазера 20 Вт при разных линиях излучениях Стандартная оптика Ультрафиолетовая оптика Длина волны (нм) Мощность (Вт) 528. 7 2 385. 1 -351. 1 3 514. 5 10 363. 8 -333. 6 5 501. 7 2 335. 8 -300. 3 2 496. 5 3 305. 5 -275. 4 0. 6 488. 0 10 476. 5 3 472. 7 1 465. 8 1 457. 9 1 454. 5 1 все линии 20 12
Применение ионных лазеров • Медицина: хирургия, офтальмология • Полиграфическая промышленность (экспонирование аудио и видео дисков) • Голография • Лазерные шоу (смешение аргона и криптона – линии между красным и синим – белый цвет) • Накачка лазеров на красителях и титан-сапфировых (пико- и фемтосекундной длительности) He-Cd - лазеры • Производство голографических защитных знаков (высокая чувствительность фотоматериалов и фоторезистов) • Лазерная спектроскопия, флуоресценция 13
3. Лазеры на парах металлов или лазеры на самоограниченных переходах Генерируют 27 металлов из 48 таблицы Менделеева Наиболее разрабатываемые и применяемые: Ø Лазер на парах меди: Cu. I • Способ возбуждения: импульсное электронное возбуждение • Источник накачки: импульсный разряд высокочастотный • Спектр: Cu. I λ 5105 Å и 5782 Å Pb. I λ 4062 Å • Режим работы: частотно-импульсный Мощность (средняя): от нескольких Вт до 1 КВт • Длительность импульса: 5÷ 10 нс • Частота повторения: f=20 к. Гц • КПД ≈1. 0 % (физический КПД 30÷ 40 %) • Особенность: высокая температура для образования паров Применение: физический эксперимент, локация (море), медицина, лазерные шоу Выпускаются в России 14
Принцип работы и особенности образования инверсии на парах металлов резонансный уровень 1. Возбуждение электронами в разряде резонансного уровня. Резонансный уровень имеет наибольшее сечение поглощения Q i k метастабильный e уровень e В стационарных условиях – инверсия не создается Инверсия возможна только в импульсном режиме до заполнения при излучении нижнего уровня – лазеры на самоограниченных переходах Резонансное поглощение при излучении (реабсорбция) увеличивают время жизни верхнего уровня 2. Нижний уровень – метастабильный – имеет большое время жизни и малое сечение возбуждения. Переход излучательный запрещен. 3. Необходима высокая T для создания паров металлов до 1500°С
КПД и мощность генерации Мощность генерации (оценка) • В инертных газах • Для паров металлов Ni =N 0 ne
Некоторые особенности конструкций 1. Распределение металлического порошка по стенке разрядной трубки и нагрев в печи печь Поперечный разряд Cu+He(Ne) – буферный газ 2. Саморазогрев в разряде 3. Катафорез K Нагрев отростка. А 4. Взрыв проволочки, нагрев в полом катоде 5. Возможно – применение галогенидов металлов Cu. Br, Cu. Cl, Cu. I – T~450÷ 550°C • Применение для разрядной трубки - тугоплавких материалов: керамика (Al 2 O 3) или Be. O • Частотно-импульсный разряд τимп=10÷ 20 нс; предельная частота повторения импульсов f~1/ τм~100 к. Гц – определяется временем жизни метастабильного уровня Для высокого КПД – крутизна нарастания тока 1014 А/с Поперечный разряд: • Большая скорость нарастания тока • Однородность накачки по объему
Промышленные лазеры на парах меди Кристалл LT-50 Cu Конструкция АЭ «Кристалл LT-50 Cu» (ГЛ-205 В) 1 — разрядный канал; 2 — концевые трубки со щелями; 3 — генераторы паров меди; 4 — катод и анод; 5 — электродные узлы; 6, 7, 8 — теплоизоляторы; 9 — вакуумноплотная оболочка; 10 — выходные окна; 11 — концевые секции; 12 — экраны-ловушки; 13 — соединительные втулки Принципиальная электрическая схема генератора наносекундных импульсов Схема питания: Линия Блюмляйна на кабельных линиях, коммутация тиратроном или конденсатор с коммутацией тиратроном. ВБП — входной блок питания; БВРП — блок выпрямителя и резонансного преобразователя; ТВБ — трансформаторно-выпрямительный блок; Тр — трансформатор; ТМФИ — тиратронно-магнитный формирователь импульсов; Др — зарядный дроссель; Д— диод; ПИ - импульсный подмодулятор; ТГИ – тиратронный коммутатор
4. Лазеры на молекулярных газах с электронным возбуждением • Наиболее разрабатываемые и применяемые: CO 2 и CO • Способ возбуждения: электрический разряд, электронный пучок, предварительная ионизация или фотоионизация • Источник накачки: импульсный, импульсно-периодический электрический разряд, электронный пучок, газодинамическое возбуждение • Режим работы: непрерывный, импульсно-периодический • Спектр излучения: основные линии CO 2 - λ 10. 6 мкм CO – λ 5÷ 6 мкм • Мощность генерации: СO 2 – мультикиловаттный уровень, уникальные стенды до 1 -5 МВт CO – импульсный режим ~ неск. сотен Дж • КПД: СO 2 – лазеры ~ 10 % CO – лазеры ~ до 47 % особенность Tгаза – 83° К • Применение: передача энергии на большие расстояния, технология, локация, медицина, 19 разделение изотопов
Генерационные переходы 3 0 С 0 00° 1 10° 0 1388. 87 1 2346. 16 V=1 λ 10, 6 мкм λ 9, 4 мкм переход 00° 1 - 10° 0 переход 00° 1 - 02° 0 Колебательно-вращательные переходы м к 6 м 10. N 2 м км 2 Генерация 00°V V 0´ 0 9. 4 Энергия , см-1 103 V 0° 0 02° 0 1335 02° 0 1285. 4 01° 0 667. 4 см-1 V=0 Энергетические уровни CO 2 и N 2 молекул Колебательные уровни основного электронного состояния Молекула CO 2 – линейно симметрична, обладает тремя типами колебаний • симметричный тип колебаний – V 0° 0 • деформационный тип колебаний – 0 V´ 0 • антисимметричный тип колебаний - 00°V Переходы между вращательными состояниями молекулы возможны при изменении j на ± 1. Переходы (j+1)v→jv´ - R-ветвь (j-1)v→jv´ - P-ветвь Наибольшей интенсивностью обладают линии P 20 и P 22 КПДтеор=hνг/Eв=41 % КПДреал=10% - 25%
Самостоятельный разряд Продольный разряд низкого давления анод К v + - Rб охлаждение Лазер с поперечным разрядом атмосферно давления (ТЕА-лазер) Transversely Excited Atmospheric Импульсный режим А Rб Rб катод Диффузионное охлаждение α % м-1 CO 2 : N 2 : He 400 K 0=f(J) 300 Малая индуктивность, быстрый ввод энергии в разряд. Однородность прокачки. Например, E= 1÷ 2 Дж; τ=0, 5÷ 5 мкс; КПД ~ 5% Kmax~10 -2/R см-1 2 : 1, 6: 4. 5 мм. рт. ст. Ø 12 мм 200 100 Ø 37 мм d= 110 см P∑=5÷ 15 тор jср. пл. тока~10 м. А/см 2 I, м. А 10 30 40 P=25÷ 100 Вт CO 2 : N 2 : He P= до 100 Вт/м 1 : 1(3) : 5(10) При прокачке газа до 20 к. Вт + - Схематическое представление конвективно охлаждаемых лазеров. а) принцип действия системы с продольной прокачкой б) система с поперечной прокачкой (поток перпендикулярен оптической оси)
Волноводные и щелевые CO 2 -лазеры Для увеличения удельных характеристик необходимо: увеличение давления, плотности тока накачки – путь трубка – капилляр ~1 мм. Накачка – высокочастотный разряд Источник накачки Недостаток– большие потери Сечение разрядного промежутка Br –разряд f=100 МГц основного типа колебаний и вывод излучения из Зазор между электродами неустойчивого резонатора. Выход: использование резонаторов 2÷ 4 мм Волноводно-неустойчивый Объем, например, 40÷ 80 см 3 волноводного типа – разрядная трубка резонатор Охлаждение – водяное выполнена в виде диэлектрического Поверхность зеркал и электродов обработана алмазным волновода точением и покрыта пленками Ge. O или Si. O 2 Rλ=10. 6=99. 2% Трубки: Be. O, Al 2 O 3, сапфир Потери: EH|| ø 1 мм α||=4. 3∙ 10 -5 cм-1 Be. O Высокие удельные энергосъемы P/W=20 Вт/см 3 (давление до 200 мм. рт. ст. ) Возможна: прокачка и отпаянные Отпаянные: 50 Вт/м Пример: Pср=2, 5÷ 4 к. Вт Угловая расходимость По двум координатам 22
Мощные CO 2 -лазеры с несамостоятельным разрядом Газодинамические CO 2 -лазеры Принцип работы: Нагрев смеси: • камера сгорания (ХГДЛ) • ударная волна • электрический нагрев, электродуговой способ Предионизация газа осуществляется электронным пучком ( электронная пушка 100÷ 250 кэ. В, плотность тока 10 м. А/см 2) Независимая предионизация позволяет осуществлять однородную накачку среды основным разрядом больших объемов Оптимальное возбуждение E/p ≈ 3 к. Вт/см∙атм При поперечной накачке газа и импульсно-периодическом режиме (200 Гц) получены рекордные результаты Pср ≈ 1 МВт Нагретая газовая смесь быстро охлаждается путем адиабатического расширения при сверхзвуковом истечении сжатого и нагретого газа через сопло в вакуум. Сверхзвуковое расширение понижает температуру и давление газовой смеси Скорость потока ~1 км/с Смесь N 2=85÷ 90%; CO 2 ~ 10%; H 2 ~ 0. 5÷ 2% N 2 сохраняет энергию в колебательных состояниях верхний уровень – сохраняет Ткол CO 2 нижний уровень – низкая температура Достоинства ГДЛ: Рекордно большая мощность непрерывной генерации до 1 МВт Недостатки: Низкий КПД (~ 0, 5%), малый K 0 ~ 5∙ 10 -3 см-3, большие габариты, Нагрев Т, °K P CO 2: N 2: Q, кг/с P, к. Вт Размер φ, рад технически сложен атм He Ударная волна 2090 ~100 4: 71: 25 50 400 123 x 200 x 10 23 10 -3
Оптика CO 2 -лазеров Окна, пластины тракта Требования: • низкий коэффициент поглощения • высокая лучевая прочность • низкий коэффициент теплового расширения • высокая теплопроводность • достаточная негигроскопичность Лучшие материалы для ИК-лазеров (примеры): Материал Коэф. погл. , см-1 Лучевая прочность для непрерывно го режима (≥ 6 см 2) Лучевая прочность в имп. режиме 200 нс; 48 Дж/см 2 60 нс; 42÷ 240 Дж/см 2 Zn Se (2÷ 9)∙ 10 -3 2 к. Вт/см 2 Ge (непрозрачен (2÷ 4)∙ 10 -2 (большое френелевское отражение) (высокочистый) KCl (упрочненный гигроскопичен ø до 400 нм) R, % Пороговая плотн. мощн. непр. режим (плавление) 99. 0 (1÷ 4)∙ 10 -4 (1. 5÷ 3. 0) к. Вт/см 2 150 нс; 276 Дж/см 2 (3 Гвт/см 2) 0. 1÷ 0. 16 Гвт/см 2 (большое пятно (1. 5÷ 3. 0) см) Термооптические искажения 400÷ 1000 (600 нс) Важные характеристики Рассчитанные значения допустимой плотности мощности Материал Wp. Vmax Wpσ=σт Wp. Т=Тпл зеркала - Имп. режим, МВт/см 2 500 к. Вт/см 2 Cu 10 -3 KCl Материал зеркала Cu - в видимой области) Зеркала Требования: • высокая лучевая прочность • высокий стабильный R • высокая теплопроводность • высокая температура плавления • твердость • мелкокристаллическая структура, близкая к “аморфной” с высокой температурой рекристаллизации Лучшие материалы 1, 8 к. Вт/см 2 50 к. Вт/см 2 680 Wp. Vmax – упругая деформация (dпучка=1 см ), деформация поверхности на λ/10, кривизна, аберрации Wpσ=σт - пластическая деформация, образование волновой поверхности Wp. Т=Тпл – плавление материала Для мощных непрерывных CO 2 -лазеров - охлаждение зеркала со сложной разветвленной структурой охлаждения Обработка металлических зеркал – алмазное точение
Применение 1. Технология 2. Передача энергии на большие расстояния 3. Локация 4. Медицина