Газовые лазеры

Столкновительному опустошению уровня CO₂(01°0) способствуют пары H₂O, появляющиеся при горении, а дополнительная накачка уровня «2» обеспечивается столкновениями с молекулами N₂^*, образующимися в камере сгорания из азота, содержащегося в воздухе.

Хотя КПД преобразования тепловой энергии в излучение у газодинамического лазера меньший, чем у электроразрядного СО₂ лазера, такие лазеры могут быть сделаны с большим объёмом активной среды и, следовательно - иметь высокую мощность, а вопрос о КПД при использовании тепловых источников энергии стоит не так остро.

6. Накачка в химической реакции

Химические связи молекул являются исключительно ёмким накопителем энергии, которая выделяется при перестройке химических связей и может быть превращена во внутреннюю потенциальную энергию частиц, в частности - в энергию их колебательного движения. Примером химической накачки является реакция взаимодействия водорода (или дейтерия) с фтором во фтор-водородном химическом лазере. Если в смеси Н₂ и F₂ каким-либо образом подвергнуть диссоциации небольшое количество молекул F₂, то возникнет цепная реакция:

F + Н₂ > (НF)^* + Н , Н + F₂ > (НF)^* + F и т.д. (16)

Молекулы (НF)^*, образующиеся в результате этой реакции, находятся в возбуждённом колебательном состоянии, причём на ряде ИК-квантовых переходов (л?3мкм) создаётся инверсия населённостей. Если к исходной смеси добавить двуокись углерода, то при столкновениях молекул происходит резонансная передача энергии возбуждения от (НF)^* молекуле СO₂ с возбуждением её верхнего лазерного уровня 00°1 CO₂ и последующая генерация на л10,6мкм. То есть колебательно возбуждённые молекулы (НF)^* играют ту же роль энергетических доноров, что и молекулы N₂^* в газоразрядных лазерах на смеси СО₂-N₂, а смесь D₂, F₂ и СО₂ оказывается даже более эффективной.

В этой смеси коэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излучения может достигать 15%. Химические лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических лазеров, в том числе сходные с газодинамическими лазерами при тепловой накачке.

“Резонансной” передачей энергии в столкновениях между возбуждённой молекулой кислорода (в “синглетном” ¹Д-состоянии) и невозбуждённым йодом с последующей генерацией на линии йода л1,315 мкм, накачивается химический кислородно-йодный лазер (Chemical Oxygen-Iodine Laser - COIL). Синглетный кислород в электронно-возбуждённом состоянии возникает при химической реакции щелочного раствора перекиси водорода с хлором. Реакция передачи возбуждения происходит в газовом потоке, куда впрыскивается йод в смеси с буферным химически инертным газом. Мощность излучения достигает 10⁵-10⁶ Вт [14].

7. Оптическая накачка газовых активных сред

Особенности оптической накачки (ОН). Несмотря на то, что газы и пары металлов имеют заведомо меньшую плотность активных частиц, чем среды в конденсированном состоянии, в двух случаях ОН может дать здесь приемлемый результат:

1) если при узкой, типичной для газов, линии поглощения активных атомов, удаётся подобрать узкополосный эффективный источник ОН. Этот метод реализуется в лазерах на атомах щелочных металлов с накачкой излучением полупроводникового лазера (Diod pumped alkali lasers - “DPAL-lasers”), работающих по классической 3-х уровневой схеме генерации с ОН. Рассмотрим механизм накачки и генерации таких лазеров на примере квантовых переходов в атоме цезия. Из основного состояния Cs₀-6s ²S_1/2 путём ОН с длиной волны л_ОН=852,1нм заселяется “вспомогательный” резонансный уровень Cs^*-6p ²Р_3/2, и далее, за счёт столкновений с атомами буферного газа происходит быстрый безызлучательный переход между уровнями ТС: 6p ²Р_3/2>6p ²Р_1/2. В результате возникает инверсия населённостей и генерация на переходе 6p ²Р_1/2>6s ²S_1/2 c л_ген=894,3нм и намного лучшими, чем у полупроводникового лазера, пространственными и частотными характеристиками. Несколько большей эффективностью обладает лазер на атомах рубидия (накачка: л_ОН=780нм, переход 5s ²S_1/2>5p ²Р_3/2, генерация: переход 5p ²Р_1/2>5s ²S_1/2, л_ген794,7нм), меньшей - лазер на атомах калия. Для накачки используется AlGaAs-полупроводниковый лазер (см., раздел 5.5);

2) если газовая среда имеет широкую полосу поглощения и возможна “ламповая” широкополосная накачка. Это реализуется при фотодиссоциации молекул среды с образованием частиц в возбуждённом, верхнем лазерном состоянии «2». Например, в йодном фотодиссоционном лазере широкополосное УФ-излучение с л0,3мкм вызывает диссоциацию молекул CF₃I с образованием возбуждённого йода в верхнем лазерном состоянии «2»:

CF₃I + hн(~4,1эВ) > I*(²Р_1/2)«2» + CF₃ . (17)

Активная среда лазера создаётся в кварцевой трубке с парами CF₃I, помещённой в оптический резонатор и накачиваемой излучением ксеноновой газоразрядной лампы. Генерация происходит на ИК линии йода с л1,32мкм.

лазер плазма накачка газ

Литература

1. Петров К.С.: Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. - СПб.: Питер, 2004

2. Прянишников В.А.: Электроника: Полный курс лекций. - СПб.: Корона принт, 2004

3. РАН, Сибирское отделение, Институт физики полупроводников; Отв. ред. А.Л. Асеев; Рец.: Ф.А. Кузнецов, И.Г. Неизвестный, В.К. Малиновский: Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. - Новосибирск: СО РАН, 2004

4. Степаненко И.П.: Основы микроэлектроники. - М. ; СПб.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004

5. Алексеенко А.Г.: Основы микросхемотехники. - М.: Лаборатория Базовых Знаний: Физматлит: Юнимедиаста, 2012

6. Быстров Ю.А.: Электронные цепи и микросхемотехника. - М.: Высшая школа, 2012

7. Лазарькова А.В.: Физическая электроника. - Белгород: БелГУ, 2002

8. Пасынков В.В.: Полупроводниковые приборы. - СПб.: Лань, 2012

9. Авт.: Ю.Г. Шретер, Ю.Т. Ребане, В.А. Зыков, В.Г. Сидоров; Под общ. ред.: В.И. Ильина, А.Я. Шика; Федер. целевая программа " Гос. поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки" : Широкозонные полупроводники. - СПб.: Наука, 2011

10. Лачин В.И.: Электроника. - Ростов н/Д: Феникс, 2011

11. Новиков Ю.В.: Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - М.: Мир, 2011

12. Пихтин А.Н.: Оптическая и квантовая электроника. - М.: Высшая школа, 2001

13. Ремизов А.Н.: Сборник задач по медицинской и биологической физике. - М.: Дрофа, 2011

14. Степаненко И.П.: Основы микроэлектроники. - М. ; СПб.: Лаборатория Базовых Знаний ; Невский Диалект ; Физ, 2011

15. Убайдуллаев Р.Р.: Волоконно-оптические сети. - М.: Эко-Трендз, 2001

16. Шило В.Л.: Популярные микросхемы КМОП: Серии К176, К561, К564, КР1561, К1554, К1564, К1594. - М.: Горячая линия-Телеком, 2001

17. Ильин В.И.: Варизонные полупроводники и гетероструктуры. - СПб.: Наука, 2000

18. Кравченко А.Ф.: Физические основы функциональной электроники. - Новосибирск: НГУ, 2010

Размещено на Allbest.ru