Аргонов лазер (страница 1 от 2)

Лазерът е монохроматичен кохерентен източник на светлина с висока насоченост на светлинния лъч. Самата дума „лазер“ се състои от първите букви на английската фраза „Усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на лъчение“, което означава „усилване на светлината в резултат на стимулирано лъчение“. Всъщност основният физически процес, който определя действието на лазера, е стимулираното излъчване на радиация. Това се случва, когато фотонът взаимодейства с възбуден атом, когато енергията на фотона точно съвпада с енергията на възбуждане на атома (или молекулата). В резултат на това взаимодействие възбуденият атом преминава в невъзбудено състояние и излишната енергия се излъчва под формата на нов фотон с абсолютно същата енергия, посока на разпространение и поляризация като основния фотон. По този начин последицата от този процес е наличието на два абсолютно еднакви фотона с възбудени атоми, подобни на първия атом, може да възникне „верижна реакция“, умножаването на еднакви фотони, „летящи“ абсолютно в една посока, което ще доведе до поява на тясно насочен светлинен лъч. За да се появи лавина от идентични фотони, е необходима среда, в която би имало повече възбудени атоми, отколкото невъзбудени, тъй като взаимодействието на фотоните с невъзбудени атоми би довело до абсорбиране на фотони. Такава среда се нарича среда с обърната популация от енергийни нива.

Така че, освен стимулираното излъчване на фотони от възбудени атоми, има и процес на спонтанно, спонтанно излъчване на фотони по време на прехода на възбудените атоми в невъзбудено състояние и процес на поглъщане на фотони по време на прехода на атомите от невъзбудено състояние до възбудено състояние. Тези три процеса, придружаващи преходите на атомите в възбудено състояние и обратно, са постулирани от А. Айнщайн през 1916 г. Ако броят на възбудените атоми е голям и има обратна популация от нива (има повече атоми в горното възбудено състояние на атоми, отколкото в долното, невъзбудено състояние), тогава първият фотон, роден в резултат на спонтанно излъчване, ще предизвика непрекъснато нарастваща лавина от поява на фотони, идентични с него. Ще има увеличение на спонтанните емисии.

Възможността за леко налягане в среда с обърната популация поради стимулирана емисия е посочена за първи път през 1939 г. от съветския физик В. А. Фабрикант, който предлага да се създаде обърната популация при електрически разряд в газ. С едновременното създаване (по принцип това е възможно) на голям брой спонтанно излъчени фотони ще възникнат голям брой лавини, всяка от които ще се разпространява в собствена посока, зададена от първоначалния фотон на съответната лавина. В резултат на това ще получим потоци от светлинни кванти, но няма да можем да получим нито насочен лъч, нито висока монохроматичност, тъй като всяка лавина е инициирана от свой собствен първоначален фотон. За да може да се използва среда с обратна популация за генериране на лазерен лъч, т.е. насочен лъч с висока монохроматичност, е необходимо да се премахне обратната популация, като се използват първични фотони, които вече имат еднаква насоченост на излъчване и една и съща енергия, която съвпада с енергията на този преход в атома. В този случай ще имаме лазерен усилвател на светлината. Съществува обаче друга възможност за получаване на лазерен лъч, свързана с използването на обратна връзка. Спонтанно генерирани фотони, чиято посока на разпространение не е перпендикулярна на равнината на огледалата, ще създаде лавини от фотони, които излизат извън средата. В същото време фотоните, чиято посока на разпространение е перпендикулярна на равнината на огледалата, ще създадат лавини, които се усилват многократно в средата поради множество отражения от огледалата. Ако едно от огледалата има ниско предаване, тогава през него ще излезе насочен поток от фотони, перпендикулярен на равнината на огледалата. Ако предаването на огледалата е правилно избрано, прецизното им регулиране едно спрямо друго и спрямо надлъжната ос на средата с обърната популация, обратната връзка може да бъде толкова ефективна, че страничното излъчване може да бъде напълно пренебрегнато в сравнение с излъчването излъчвани през огледалата. На практика това наистина се прави. Тази схема на обратна връзка се нарича оптичен резонатор и именно този тип резонатор се използва в повечето съществуващи лазери.

Създадени са много различни видове лазери, работещи в различни режими. Има непрекъснато изпомпвани лазери (енергията на възбуждане се подава непрекъснато към активния елемент на лазера), чието излъчване има формата или на непрекъснат светлинен поток, или на правилна последователност от светлинни импулси. Скоростта на повторение на лазерните импулси може да бъде много висока - до 107 импулса в секунда. Импулсно изпомпваните лазери (енергията на възбуждане влиза в активния елемент на отделни импулси) могат да излъчват „гигантски импулси“ (продължителност на импулса 10-8 s, интензитет на импулса при максимум до 106 kW), както и ултра къси светлинни импулси продължителност на импулса 10-12 s, интензивност до максимум 109 kW). Като активни елементи на лазерите се използват различни кристали, стъкла, полупроводникови материали, течности, както и газообразни среди. Електрически разряд в газ се използва за възбуждане на газообразни активни среди.

1. Нива на енергия за аргонов йон лазер

аргонен лазерен фотонен йон

Активната среда на йонните лазери обикновено се формира от плазма с нажежен разряд с висока плътност на тока. В най-често срещаните видове йонни лазери, йоните на инертните газове, най-често аргон, се използват за практически цели. Опростена диаграма на енергийните нива за лазер с аргонов йон е показана на фиг. 1, показващ някои от най-важните лазерни преходи. Пълната диаграма на енергийното ниво е сложна и включва много повече нива и други лазерни преходи, които не са показани на фигурата. Най-интензивните преходи имат дължини на вълните от 0,4880 и 0,5145 микрона. Тези нива са нивата на аргоновия йон, така че за да работи аргоновият лазер, атомите трябва да бъдат предварително йонизирани веднъж. Основното състояние в тази схема е основното състояние на аргоновия йон, което е разположено на почти 16 eV над основното състояние на неутралния аргонов атом. Освен това горните лазерни нива са приблизително на 20 eV над земното йонно състояние. Оттук следва, че значително количество енергия трябва да бъде прехвърлено към неутралния аргонов атом, за да бъде прехвърлено на горното лазерно ниво на аргоновия йон.

Фигура: 1 Диаграма на енергийните нива на единично йонизиран аргон, свързани с работата на аргонов йон лазер.

Основното състояние на йона Ar + се получава чрез отстраняване на един от шестте 3p електрона от външната обвивка на аргона. Възбудените състояния 4s и 4p възникват, когато един от останалите 3p електрони се хвърли съответно в нивата 4s и 4p. Като се вземе предвид взаимодействието с останалите 3p електрони, нивата 4s и 4p се състоят от няколко нива. Възбуждането на горното 4p лазерно ниво се осъществява чрез двустепенен процес, включващ сблъсъци с два различни електрона. При първия сблъсък аргонът се йонизира, т.е. преминава в основното състояние на йона Ar. Йонът Ar + в основното състояние преживява втори сблъсък с електрон, което може да доведе до следните три различни процеса: 1) директно възбуждане на Ar + йона до 4p ниво; 2) възбуждане към по-високо разположени състояния с последващи каскадни радиационни преходи към 4p ниво; 3) възбуждане до метастабилни нива, последвано от трети сблъсък с електрон, водещ до възбуждане до 4p ниво. Тъй като процеси 1 и 2 включват два етапа, свързани със сблъсъци с електрони, трябва да се очаква скоростта на изпомпване до горното състояние да бъде пропорционална на квадрата на плътността на разрядния ток. Всъщност скоростта на изпомпване на горното състояние (dN2/dt) p трябва да има формата (dN2/dt) p

N2e, където Ne и Nt са плътностите на електроните и йоните в плазмата (Ne ≈ Ni в плазмата на положителна колона). Тъй като електрическото поле в разряда не зависи от разрядния ток, електронната плътност Ne е пропорционална на плътността на разрядния ток и от предишния израз следва, че (dN2/dt) p

J2. Може да се покаже, че при висока плътност на тока разглежданият по-горе процес 3 също води до факта, че скоростта на изпомпване е пропорционална на J2. По този начин, изпомпването се увеличава рязко с увеличаване на плътността на тока и за да се разгледа по-горе неефективният двуетапен процес, за да се даде възможност за изпомпване на достатъчно йони в горното състояние, се изискват високи плътности на тока (

1 kA/cm2). Това може да обясни защо първото изстрелване на Ar + лазера се е случило около 3 години след изстрелването на He-Ne лазера. Ar + йонът, хвърлен на горното лазерно ниво 4p, може да се отпусне до 4s ниво чрез бърз (

10-8 с) радиационна релаксация. Трябва обаче да се отбележи, че релаксацията от долното ниво на лазера 4s до основното състояние на Ar + настъпва за време, което е около 10 пъти по-кратко. По този начин условието за непрекъснато генериране е изпълнено.

От гореизложеното следва, че при преход 4p 4s трябва да се очаква генерация в аргонов лазер. Тъй като и двете нива 4s и 4p всъщност се състоят от много поднива, аргонов лазер може да генерира по много линии, сред които най-интензивни са зеленото (λ = 514,5 nm) и синьото (λ = 488 nm). От измерванията на спектъра на спонтанното излъчване беше установено, че ширината на доплеровата линия Δυ * 0, например зеленият преход, е около 3500 MHz. Това означава, че температурата на йоните е T ≈ 3000 K. С други думи, йоните са много горещи поради ускорението си в електрическото поле на разряда. Сравнително широката доплерова широчина на линията също води до факта, че в режима на блокиране на режима в аргонов лазер се наблюдават относително къси импулси (