Введение. 1. Тарасов Л. В. Лазеры и их применение.

 

1. Тарасов Л. В. Лазеры и их применение.

2. Звелто О. Физика лазеров. М.: Мир.– 1979.

Лабораторная работа

Изучение ультрафиолетового лазера на молекулярном азоте АЛ-202.

Получение генерации в лазере на красителе кумарин и измерение его спектрально-генерационных характеристик.

 

Введение

В настоящее время интенсивно проводятся исследования в области лазеров, работающих в ультрафиолетовом диапазоне. При получении инверсии населенностей в системах атомов и ионов, которая обеспечивала бы генерацию в коротковолновой видимой или ультрафиолетовой области спектра возникают многие трудности. Именно поэтому возник интерес к молекулярньм средам. Они должны обладать следующими свойствами:

а) высокий квантовый выход- флюоресценции,

б) незначительные потери на безызлучательиые переходы,

в) быстрая релаксация конечного лазерного состояния,

г) возможно более длительное время жизни молекулы в верхнем энергетическом состоянии.

Благодаря развитию методов оптической накачки газовых лазеров и, в частности, использованию электронных пушек в настоящее время практически нетрудно достичь сильного возбуждения произвольной лазерной среды.

Интересно, что впервые лазерная генерация в ультрафиолетовом диапазоне была получена уже в 1963 г. Хердом с помощью азотного лазера. Энергия молекулы N₂ зависит от расстояния между ядрами азота. Эта зависимость показана на рис. 1. Ультрафиолетовое излучение возникает в результате переходов С³П _и ~ В³П _g.

 

Рис. 1. Энергетические уровни молекулы N₂ в зависимости от расстояния между ядрами азота. Стрелками указаны лазерные переходы в ультрафиолетовом диапазоне. Переходы типа В³П _g →; A³Σ _g сопровождаются инфракрасным излучением.

Нижний лазерный уровень ультрафиолетового диапазона (В³П _g), подобно нижнему лазерному уровню инфракрасного диапазона (A³Σ _g; переходы типа В³П _g →; A³Σ _g), отличается значительно более длительным временем жизни, чем верхние уровни. Поэтому до сих пор не выяснено, достигается ли в такой системе инверсия населенностей. Возбуждение энергетических уровней происходит в результате прямых соударений с электронами. Лазерная генерация возможна только в импульсном режиме.

Поскольку время жизни лазерного уровня С³П _и составляет 40 нс, а время жизни конечного состояния В³П _g очень велико (10 мкс), длительность импульса накачки должна быть порядка нескольких наносекунд, а плотность тока накачки — 10⁴ А/см². На практике чаще всего применяют системы с бегущей волной, предложенные, в частности, Шипменом.

 

1 – инициирующий коммутатор, 2 – коаксиальные линии задержки со ступенчато-изменяющейся длиной, 3 – диэлектрические коммутаторы, 4 – металлическая пластина, на которую подается высокое напряжение, 5 – активное вещество, 6 – слой диэлектрика, 7 – лазерное излучение, 8 – заземленная металлическая пластина, 9 – высоковольтный искровой разряд, 10 – плексиглас, 11 – металлические пластины, 12 – катушка.

 

Рис 2. Схема лазера Шипмена с шестью коаксиальными линиями задержки, длина которых скачкообразно изменяется от линии к линии (а), и модель системы с одним искровым разрядником (б).

 

 

Возбуждение активной смеси (азота и неона) происходит в канале разряда, который распространяется вдоль оси лазера со скоростью, определяемой скоростью вынужденного испускания в канале. Шипмен применил так называемый генератор Блюмлейна, дающий импульсы длительностью 4 нс с максимальной мощностью 2,5 МВт.

При возбуждении азотного лазера необходимо максимально быстро передать активной среде энергию электрического поля, запасенную в конденсаторе. Для этой цели применяют электрические схемы без индуктивности и с малым сопротивлением. Наиболее эффективно поперечное возбуждение, схема которого показана на рис. 2. Плоская линия передачи содержит 6 диэлектрических коммутаторов и столько же отрезков коаксиального кабеля соответствующей длины. При разряде формирующей линии возникает импульс с напряжением, в два раза превышающим питающее напряжение. Недостатком схемы Шипмена является использование нескольких диэлектрических коммутаторов. Этого можно избежать, если применить лишь один коммутатор, подключенный к углам пластин питающего конденсатора (рис. 2, б). Вначале конденсатор, состоящий из двух частей, заряжается до напряжения, при котором наступает пробой воздушного разрядника. В момент короткого замыкания на входе формирующей линии возникает электромагнитная волна, которая распространяется по левому отрезку линии со скоростью , где — диэлектрическая проницаемость изолирующего материала. Эта волна отражается от конца линии и возвращается с обратным знаком, что приводит к удвоению напряжения. Правильный выбор расположения искрового разрядника обеспечивает распространение разряда в канале со скоростью, соответствующей скорости вынужденного испускания.

В настоящее время лазер на азоте при атмосферном давлении является одним из наиболее распространенных источников когерентного ультрафиолетового излучения.

Следует упомянуть интересный эксперимент Сведберга и др., в котором была получена лазерная генерация в области вакуумного ультрафиолета в воздухе! На небольшую камеру, содержащую воздух при атмосферном давлении, подавали импульс напряжения 350 кВ (длительностью 3 нс). Чрезвычайно мощный электрический разряд обеспечивал лазерную генерацию на переходе С³П _и →; В³П _g молекулярного азота (см. рис. 1). Были зарегистрированы эмиссионные линии 337,1 и 337,2 нм в условиях сверхизлучения. Длительность лазерной генерации составляла 0,6 нс. Использование воздуха в качестве активной среды, несомненно, является одним из интереснейших достижений квантовой электроники.