Скачать презентацию Типы лазеров Газовые ионные атомные молекулярные эксимерные химические
Типы лазеров.ppt
- Количество слайдов: 27
Типы лазеров Газовые ионные атомные молекулярные эксимерные химические фотодиссоционные Жидкостные Твердотельные, в т. ч. волоконные полупроводниковые Лазеры на свободных электронах 1
Газовые лазеры Передача и снятие возбуждения частицами другого сорта Возможность управлять шириной линии через давление Большое время жизни верхнего уровня Нижний уровень выше основного на несколько k. T, но не >>k. T Радиационный распад нижнего уровня невозможен столкновения эффективны только если DE порядка k. T, т. е. нужны промежуточные уровни 2
Газовые лазеры. Ионные Благородные газы, Ar+ Двухступенчатая накачка (ионизация + возбуждение) низкий КПД инверсия пропорциональна j 2 Радиационный распад нижнего уровня Ar++ лазер (363 нм, 351 нм) Перекачка Ar+ от анода к катоду понижает давление и останавливает разряд (обводная трубка) 3
Газовые лазеры. Типичные параметры аргонового лазера Длины волн лазера 488. 0 nm вероятность спонтаного перехода (A 21) Время жизни верхнего уровня (τ21) сечение (σ) Ширина полосы спонтанного излучения FWHM (∆ν 21) Коэффициент усиления по слабому сигналу (a 0) Длина активного элемента (L) Усилени за один проход Давление газа 7. 8 x 107/s 1 x 10 -8 s 2. 6 x 10 -16 m 2 2. 7 x 109 Hz Способ накачки Температура электронов Температура газа Рабочая мода Выходная энергия Мода и 514. 5 nm 0. 5/m 0. 1 -1. 0 m 1. 05 -1. 65 0. 1 Torr или меньше в районе отверстия Электрический разряд 20, 000 -30, 000 K 1, 200° С cw 100 m. W to 50 W ТЕМ 00 или многомодовый 4
Газовые лазеры. Гелий – кадмиевый лазер Ионизация и возбуждение одновременно при столкновении с He*: He*+Cd => He+ (Cd+)* + e+ Eкин Инверсия пропорциональна первой степени j Лазеры на парах меди, золота, свинца. . . 5
Газовые лазеры. Типичные параметры Не-Cd лазера Длины волн лазера Вероятность спонтанного изл. (A 21) Время жизни верхнего уровня (τ21) сечение (σ) Ширина полосы спонтанного излучения, FWHM (∆ν 21) Плотность инверсии (∆N) коэффициент усиления по слабому сигналу (a 0) Длина активного элемента (L) Давление газа Смесь газов Рабочая температура Способ накачки Температура электронов Температура газа Рабочая мода Выходная энергия Мода 441. 6 nm 353. 6 nm 325. 0 nm 1. 4 x 106/s 1. 6 x 105/s 7. 8 x 105/s 7. 1 x 10 -7 s (2 D 5/2), 1. 1 x 10 -6 s (2 D 3/2) 9 x 10 -18 m 2 1. 1 x 109/s 1. 4 x 109/s 1. 5 x 109/s 4 x 1016/m 3 0. 36/m 0. 25 -1. 5 m 5 -10 Torr Гелий He : Сd at 100 : 1 в камере 350° С, кадмий 260° С Электрический разряд 15, 000 -20, 000 K 300° С cw 10 -200 m. W ТЕМ 00 или многомодовый 6
Газовые лазеры. Атомные, He-Ne 3. 39 m 0. 6328 m 1. 15 m метастабильный Не Nе 7
Газовые лазеры. Атомные, He-Ne 8
Газовые лазеры. Атомные, He-Ne Длины волн лазера Вероятность спонтанного излучения (A 21) Время жизни верхнего уровня (τ21) сечение (σ) Ширина полосы спонтанного излучения, FWHM (∆ν 21) Плотность инверсии (∆N) Коэффициент усиления слабого сигнала (a 0) Длина активного элемента (L) Увеличение за один проход Давление газа Смесь газов Способ накачки Температура электронов Температура газа Рабочая мода Выходная энергия Мода 632. 8 nm 3. 4 x 106/s 3 x 10 -8 s 3 x 10 -7 m 2 1. 5 x 109 Hz (Doppler) 5 x 1015/m 3 0. 15/m 0. 1 -1. 0 m 1. 015 -1. 16 2. 5 Torr He : Ne at 5 : 1 Электрический разряд 15, 000 -20, 000 K 400 K cw 0. 5 -100 m. W ТЕМ 9
Газовые лазеры. Молекулярные ИК - колебательные уровни Дальний ИК – вращательные уровни CO 2 лазер 10
Газовые лазеры. Молекулярные. CO 2 лазер 001 9. 6 m 100 020 n 00 0 n 0 00 n электрон 010 столкновение с He N 2 CO 2 Большое сечение, т. к. деформационное колебание 000 легко возбуждается и девозбуждается (столкновения под луюбым углом) CO 2: N 2: He=1: 1: 8 11
Газовые лазеры. Типичные параметры CO 2 лазера Длины волн лазера 10. 6 m Вероятность спонтанного излучения (A 21) 0. 25/s Время жизни верхнего уровня (τ21) 4 s сечение (σ) 3 x 10 -22 m 2 Ширина полосы спонтанного излучения, FWHM (∆ν 21) 6 x 107 Hz Плотность инверсии (∆N) 3 x 1021/m 3 Коэффициент усиления слабого сигнала (a 0) 0. 9/m Длина активного элемента (L) 0. 3 -2. 0 m Увеличение за один проход 1. 3 -6. 0 Давление газа 50 -760 Torr Смесь газов CO 2 : N 2 : He=1: 1: 8 Коэффициент преломления активной среды Способ накачки ≈1. 0 Электрическое возбуждение, столкновительный переход Температура электронов 5, 000 -10, 000 K Температура газа 200 -400°С Рабочая мода Cw или импульсный Выходная энергия 1 -10, 000 W 12
Газодинамический СО 2 лазер M=4 Нагрев за счет сжигания углеводородов КПД=1 -4%, т. к. ограничен диссоциацией CO 2 и конденсацией CO 2 13
Газодинамический СО 2 лазер M=4 Нагрев за счет сжигания углеводородов КПД=1 -4%, т. к. ограничен диссоциацией CO 2 и конденсацией CO 2 N 1 N 2 z область инверсии 14
Газовые лазеры. Эксимерные Exited dimer = Eximer Xe 2, Kr 2, Xe. Cl, Xe. F, Kr. F, Ar. Cl, Ar. F 15
Газовые лазеры. Типичные параметры эксимерных лазеров Длины волн лазера Вероятность спонтанного излучения (A 21) Время жизни верхнего уровня (τ21) сечение (σ) Ширина полосы спонтанного изл. , FWHM (∆ν 21) Плотность инверсии (∆N) Коэффициент усиления слабого сигнала (a 0 ) Длина активного элемента (L) Давление газа Смесь газов (например Kr. F) Способ накачки Температура электронов Температура газа Рабочая мода Энергия импульса Длительность импульса Выходная энергия Xe. F, 351 nm; Xe. Cl, 308 nm; Kr. F, 248 nm; Ar. F, 193 nm; От 0. 8 до 2. 5 x 108/s 4 -12 ns От 2. 4 до 4. 5 x 10 -20 m 2 1013 Hz 1020/m 3 2. 4 -4. 5/m 0. 5 -1. 0 m 1, 500 Torr 10 Torr F 2, 30 Torr, Kr, 1, 460 Torr He Электрическое возбуждение, рекомбинация 15, 000 -20, 000 K 200°С импульсный 0. 5 -1. 0 J 30 -50 ns 1 J/импульс в 100 Hz=100 W 16
Газовые лазеры. Химические лазеры F + H 2 ® HF* + Н Инициирование реакции (УФ или электронный пучок) Цепная реакция КПД инициирования >100% Смесь Н 2 и F 2 взрывоопасна Рекордная средняя мощность HF HCl HBr DF 2. 7 m 3. 7 m 4. 2 m 4. 3 m 17
Газовые лазеры. Фотодиссоционные (йодный лазер) СF 3 I + hn ® I* + CF 3 l=1. 315 m Огромная импульсная мощность 18
Газовые лазеры. Рентгеновские плазменные лазеры Al 12+ Mo 32+ Se 24+ Zn 20+ Au 51+ Xe 26+ Yb 42+ ……. 19
Газовые лазеры. Типичные параметры рентгеновских лазеров Длины волн лазера Вероятность спонтанного излучения (A 21) Время жизни верхнего уровня (τ21) сечение (σ) Ширина полосы спонтанного излучения, FWHM (∆ν 21) Плотность инверсии (∆N) Коэффициент усиления слабого сигнала (a 0) Длина активного элемента (L) Усиление за один проход Плотность газа Способ накачки Температура электронов Температура плазмы Рабочая мода Длительность выходного импульса Выходная энергия /импульс Максимальная выходная мощность 3. 56 -46. 9 nm типичная 1011/s Типичное 10 -11 s 1019 -10 -20 m 2 От 1 до 5 х1012/s 1020 -1021/m 3 400/m 0. 01 -0. 05 m (возбуждение плазмы) вплоть до 0. 12 m (выстрел) 10 -106 1025 -1026 ions/m 3 лазерно-индуцированный плазменный разряд 100 -1, 000 e. V 100 -500 e. V импульсный От 500 ps до 10 ns От 10 n. J до 1 m. J 1 -2 MW 20
Жидкостные лазеры º лазеры на красителях 21
Лазерная керамика. Что это такое. монокристалл: Nd: YAG, Yb: Y 2 O 3 , Nd: Y 2 O 3 , Cr: YAG, Nd: Lu 2 O 3 , Nd: YGd. O 3 , (Nd, Yb): Sc 2 O 3 , Yb: Lu 2 O 3 , Pr: Gd 2 O 2 S, Ce: YAG …. 22
Лазерная керамика. История развития Сa. F 2: Dy 2+горячепрессованная лазерная керамика E. Carnell et. al, 1966 Y 2 O 3. Th. O 2: Nd керамический лазер, C. Greshcovich et. al, JAP, 44, 4599, 1973 YAG: Nd, порошок получ. соосаждением+ пресование+1700 о. С, 3 часа, в вакууме, 2. 5 см-1 M. Sekita, H. Haneda, et. Al, JAP, 67, 453, 1990 1966 YAG: Nd, 2 мкм порошок + изостатическое прессование + 1750 о. С, 1 -50 часов, 0. 009 см-1, плотность 99. 98 A. Ikcsue, et. Al, J. Amer. Ceram. Soc. , 78, 1033, 1995 1973 1990 YAG: Nd порошок полученный соосаждением + литье + вакуумный обжиг 1750 о. С, 5 -20 часов, потери не более чем 0. 002 см-1, плотность 99. 9999 T. Yanagitani and many coworkers, 2000 _ till now 1995 2000 23
Лазерная керамика. Прогрес лазеров на керамике 24
Модель термонаведенного двулучепреломления в керамике. Свойства лазерной керамики Параметр Стекла Кристаллы Керамика Теплопроводность, Вт/Км 1 до 13 Оптич. однородность (объем АЭ), см 3 10 000 10 до 13 и более 10 000 Распределение активатора Однородное Оптическое повреждение на включениях Есть Неоднородно е Есть Возможность изменения свойств Есть Ограниченная Есть Предельная концентрация активатора Высокая Низкая Высокая Цена АЭ Низкая Высокая Низкая Thermal shock параметр низкий высокий Еще выше* Сечение усиления, 10 -20 см 2 <5 до 80 Нелинейность n, 10 -13 esu 1 -2 до 5 Термооптич. Пост. W 10 -7 , К-1 -50. . +100 >50 Твердость малая высокая Однородное Нет 25
Модель термонаведенной деполяризации. Термодинамика и упругость y e 2 y e 1 r y, b z a Y c, z y b x a z, c x, a y b x x y F r F z x x x k 1. Температура: T(r, ) 2. Тензор деформаций: err (r, ) , e (r, ), ezz (r, ) 3. Тензор диэлектрической непроницаемости: DBij (r, , a, b, F) =pijklekl (r, ) 4. Угол наклона собственных поляризаций и фаза между ними: Y(r, , a, b, F)=arctg{2 B 12/(B 11 -B 22)}/2 d(r, , a, b, F, Lg) = k. Lgn 03(B 11 -B 22)/2 cos(2 Y) 5. Матрица Джонса одного зерна Ag(r, , ag, bg, Fg, Lg) 26 z
Модель термонаведенной деполяризации. Оптика Eout(r, ) Ein(r, ) …. . 1 23 4 …. . N 6. Матрица Джонса всего элемента (k реализаций) A(r, , k)= A 1(r, , a 1, b 1, F 1, L 1) A 2(r, , a 2, b 2, F 2, L 2). . . AN(r, , a. N, b. N, FN, LN) 7. Локальная деполяризация G(r, , k)=ч Eвых(r, , k) /Eвх(r, )ч 2 8. Интегральная (по сечению) деполяризация: g(k) 9. Усреднение по реализациям: