Аргоновый лазер (стр. 2 из 2)

Инверсия населенностей между верхним (Е4) и нижним (Е3) рабочими уровнями создается следующим образом (рис. 2). Уровень Е4, имеющий по сравнению с уровнем Е3 большее время жизни, заселяется ионами аргона за счет их столкновений с быстрыми электронами в газовом разряде и за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней Е5. В то же время уровень Е3, обладающий очень коротким временем жизни (примерно в 25 раз меньше, чем время жизни уровня Е4), быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни Е3 и Е4 состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,53 мкм.

Рис. 2 Диаграмма энергетических уровней ионизированного аргона: 1 – возбуждение при столкновениях с электронами; 2 – лазерное излучение с длиной волны 0,45 мкм; 3 – спонтанные переходы.

2. Основные характеристики аргонового лазера

В отличие от гелий-неонового лазера аргоновый лазер имеет более высокое усиление и может быть получена существенно большая выходная мощность. Выходная мощность возрастает с плотностью тока непропорционально, поэтому для работы аргонового лазера желательны узкая трубка и большой ток. В аргоновых лазерах могут использоваться плотности тока более 100 А/см². Высокая плотность тока вызывает разогрев и существенно влияет на конструкцию аргонового лазера.

По сообщениям максимальная выходная мощность аргонового лазера достигает 150 Вт, но для промышленных образцов наиболее характерные значения мощности составляют 2-10 Вт. Полная выходная мощность аргонового лазера обычно является суммарным излучением на всех различных длинах волн. Излучение на одной длине волны может быть получено при использовании призмы в резонаторе лазера. Вследствие дисперсии призмы луч лишь одной длины волны будет падать по нормали к зеркалу, так что лазер может работать только на одной из всех возможных длин волн. Однако при этом уменьшается выходная мощность. В табл. 1 приведены характерные значения выходной мощности для различных длин волн обычного промышленного лазера. Такой лазер классифицируется как 4-ваттный лазер, поскольку он может излучать 4 Вт при работе без призмы, когда может одновременно присутствовать излучение всех длин волн. Выделение одной заданной линии осуществляется поворотом призмы.

Таблица 1 Характерные значения выходной мощности

Длина волны, мкм	Мощность, мВт
0,5145	1400
0,5017	200
0,4965	300
0,4880	1300
0,4765	500
0,4727	100
0,4658	50
0,4579	150
0,3511; 0,3638	100 (специальные зеркала)

В непрерывных аргоновых лазерах часто используется магнитное поле. Поле является продольным, т.е. магнитное поле параллельно оси лазера. Основной эффект магнитного поля заключается в увеличении концентрации электронов а плазме. Это связано с тем, что электроны вынуждены двигаться по спиралям вокруг магнитных силовых линий, в результате чего потери электронов на стенках уменьшаются.

Максимальный ток аргонового лазера ограничен физическим износом и эрозией внутренних поверхностей. Обычная конструкция аргонового лазера представляет собой набор электрически изолированных, радиационно-охлаждаемых сегментов, размещенных внутри кварцевой вакуумной колбы, в которой осуществляется разряд. Сегменты с узкими отверстиями изготовляются из материалов с минимальной эрозией. Из-за большой плотности тока в газоразрядной трубке аргонового лазера должны использоваться высокотемпературные материалы для изготовления ограничивающих разряд каналов. Описаны самые разнообразные конструкции аргоновых лазеров. Обычно используются такие материалы, как графит, кварц или керамика из окиси бериллия. Окись бериллия, по-видимому, особенно хорошо противостоит распылению в электрическом разряде. Ее наиболее важное преимущество – высокая теплопроводность.

Аргоновые лазеры могут излучать в ультрафиолете на длинах волн 0,3511 и 0,3638 мкм. Благодаря этому аргоновые лазеры являются одними из немногих коммерчески доступных источников ультрафиолетового лазерного излучения. Некоторые промышленные газовые лазеры снабжены системой перенаполнения с целью компенсации уменьшения давления газа в трубке с течением времени. Подпитку газом можно осуществлять с помощью выключателя, открывающего клапан к резервуару с аргоном. Трубка может быть дополнена до требуемого оптимального давления. Эта возможность увеличивает срок службы промышленных аргоновых лазеров.

3. Особенности конструкции аргонового лазера

Рис. 3 Схема конструкции газоразрядной трубки аргонового лазера: 1 – выходные окна лазера; 2 – катод; 3 – канал водяного охлаждения; 4 – капилляр; 5 – магнит; 6 – анод; 7 – обводная газовая трубка.

Особенности конструкции аргонового лазера обусловлены тем, что для его работы требуется пропускать через газ ток большой плотности (до нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр), так как сначала нужно ионизировать нейтральные атомы аргона. Поэтому необходимо предусмотреть эффективную систему теплоотвода от газоразрядной трубки (рис. 3). Газовый разряд создают в тонком (диаметром 5 мм) капилляре 4, охлаждаемом жидкостью. Рабочее давление газа – десятки паскалей. Для увеличения концентрации электронов в центре капилляра в разрядном пространстве с помощью магнитов 5 создается магнитное поле, которое сжимает разряд и не дает ему касаться стенок. Катод 2 эмиттирует электроны, которые под действием электрического поля, приложенного между катодом 2 и анодом 6, движутся по капилляру к аноду. При этом газ в капилляре тоже начинает перемещаться от катода к аноду, что может привести к гашению разряда, так как у анода давление значительно повышается. Для выравнивания давления по длине капилляра катодную и анодную полости газоразрядной трубки соединяют обводной газовой трубкой 7, обеспечивающей свободную циркуляцию газа.

В первых ионных лазерах использовались кварцевые капилляры, срок службы которых не превышал 100 ч. В более поздних конструкциях применялись металлокерамические капилляры. Перспективными являются капилляры на основе окисей бериллия, работающего около 1000 ч.

Блок питания ионного лазера представляет собой мощный (около 10 кВт) выпрямитель, выходное напряжение которого составляет 200…400 В. Можно использовать также высокочастотное возбуждение, при котором возрастает долговечность капилляра за счет того, что ионы, бомбардирующие его стенки, при движении в высокочастотном поле не успевают приобрести большой скорости. Однако блок питания в этом случае получается значительно сложнее, чем при возбуждении лазера постоянным током.

4. Применение аргоновых лазеров

В настоящее время ионные аргоновые лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Созданы лазеры с мощностью излучения до 150 Вт. Теоретические оценки показывают, что мощность этих лазеров может быть увеличена до нескольких сотен ватт. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров препятствует их высокая стоимость, сложность, низкий КПД (< 10-3) и большая потребляемая мощность (единицы киловатт).

Аргоновые лазеры широко используются для накачки непрерывных лазеров на красителях, для множества научных применений (взаимодействие излучения с веществом), в лазерных принтерах, в лазерной хирургии и в техническом оснащении развлекательных программ.

5. Список используемой литературы

1. Дж. Реди, Промышленные применения лазеров, М., «Мир», 1981 г.

2. Справочник по лазерной технике, Киев, «Техника», 1978 г.

3. Политехнический словарь, М., «Советская энциклопедия», 1977 г.

4. Дж. Триг, Физика 20 века: ключевые эксперименты, М., «Мир», 1978 г.

5. Байбородин Ю.В., Основы лазерной техники, М., «Мир», 1988 г.