Физические основы лазеров. Газовые лазеры

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ: классификация
Лазеры на нейтральных атомах:
гелий-неоновый лазер;
лазеры на парах меди.
Ионные лазеры:
Аргоновый лазер;
Гелий-кадмиевый лазер.
Молекулярные лазеры:
CO2 лазер;
CO лазер;
Азотный лазер;
Эксимерные лазеры.

Гелий-неоновый лазер
He-Ne laser was realized in Bell`s laboratory in december 1960.
It was emitting at 632nm.
Ali Javan
William Ralph Bennett
История

Energy-level diagram
Typical laser transition
Electrical scheme of laser

Low working pressure (150 MHz/Torr)
Rare collisions
Maxwellian speed distribution
Doppler effect (5 000 MHz)
Spectrum-line broadening
Fluorescence marker

laser tube with fixed mirrors
Principle setup of He-Ne resonator
Longitudinal modes and correspondinf gain profile(584 mm, 20mW)

Construction
1,12 - laser mirrors
2 - Brewster window
3,10 – cap (mirror holder)
4 - pipe
5,11 - region of redused material thickness
6 - cathode
7 - gas discharge capillary
8 - glass tube
9 - the end of the capillary

Лазера на парах меди
gain of the active medium: 2 kJ per 1 m
average power: 40 watts
high efficiency in the green and
yellow regions of spectrum: 1%

Лазер на парах меди
1 - выходные лазерные окошки ;
2 - электроды газоразрядной трубки;
3 - кусочек рабочего вещества (медь);
4 - 60% Pt 40% Rh (нагреватель);
5 - керамическая трубка на основе окиси алюминия ;
6 - печка высокотемпературная;
7 - вакуумная трубка;
8 - зеркала резона­тора;
9 - выходное излучение;

Лазер на парах меди
1— разрядный канал;
2 — электродные узлы;
3 — рабочее вещество;
4 — вакуумноплотная оболочка;
5 — тугоплавкий порошковый теплоизолятор;
6 — выходные окна;
7 — соединительные узлы ;
В соединении 7, между торцами разрядной трубки 1 и электродными узлами 2, имеется зазор.
Зазор обеспечивает откачку газа из объема теплоизолирующегоэлемента 5.
Во избежание попадания теплоизолирующего порошка в активный объем (разрядный канал) размер зазора
должен быть меньше размера частиц порошка.
В саморазогревном активном элементе разогрев разрядного канала с активным веществом до
рабочей температуры происходит за счет энергии импульсного разряда, возбуждающего пары меди.

Лазер на парах меди
Особенности:
1. Лазер на парах меди является одним из самых мощных источников когерентного светового излучения в видимом диапазоне длин волн.
Длины волн генерации: 510,6 нм; 578,2 нм.
Диапазон средних выходных мощностей: 1 - 100 Вт с одной газоразрядной трубы.
2. Высокий практический коэффициент полезного действия лазера, достигающий 1 - 2 %.
3. Высокий коэффициент усиления активной среды лазера на парах меди дает возможность использовать эти лазеры в качестве когерентных усилителей яркости световых пучков и строить многокаскадные лазерные системы с большой выходной мощностью лазерного излучения ( Pср > 1 кВт ).
4. Возможно эффективное преобразование выходного излучения лазера в ультрафиолетовую область спектра.

Ионно-аргоновый лазер
Схема уровней иона аргона

Ионно-аргоновый лазер
Двухэтапная возбуждение иона аргона

Ионно-аргоновый лазер
Конструкция с воздушным охлаждением

Ионно-аргоновый лазер
Конструкция с водяным охлаждением
Конструкция
сегментов трубки

Гелий-кадмиевый лазер
Линии генерации:
2D3/2 → 2P1/2 325 нм
2D5/2 → 2P3/2 416 нм
T = 250 ͦC
Выходная мощность: 50-100 мВт
Конструкция: трубка с брюстеровскими окнами.

Лазер на углекислом газе
Молекула CO2:
- симметричное колебание
- антисимметричное колебание
- деформационное колебание

Возможные лазерные переходы

Схема энергетических уорвней
N2(n)+CO2(0000) → N2(n−1)+CO2(0001)+ΔW, ΔW =−2.2 meV

Диссоциация CO2. Газовая смесь
CO2+e− → CO+O−, ΔW = −3.85 eV
CO2+e− → CO+O+e−, ΔW = −5.5 eV
Варианты газовой смеси:
Типовая газовая смесь: He : N2 : CO2 = 8 : 2 : 1

Варианты конструкции
Gas Flow Inside the Laser.
• No gas flow, sealed-off
• Quasi-sealed-off, periodic gas exchange
• Slow gas flow axial to the laser beam
• Fast gas flow axial to the laser beam
• Fast gas flow transversal to the laser beam
Gas Cooling.
• Diffusion-cooled, cooled walls of the gas discharge
• Fast gas flow with external heat exchanger.
Electrical Excitation.
• Longitudinal DC discharge, continuous
• Transversal DC discharge at high gas pressure, pulsed
• Capacitively coupled transversal RF discharge
• Inductively coupled RF discharge
• Microwave-excited gas discharge.
Optical Resonator.
• Stable optical resonator
• Unstable optical resonator
• Free-space propagation between the mirrors
• Optical waveguide between the mirrors
• Combinations of these in different planes.

Схема отпаянного лазера с продольной накачкой разрядом постоянного тока

Схема с продольной прокачкой разрядом постоянного тока

Волноводные CO2-лазеры
а) цилиндрический диэлектрический
волновод
б) полностью диэлектрический
прямоугольный волновод
в) гибридный волновод
металл-диэлектрик

Перестраиваемые CO2-лазеры

Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры
Benefits:
1. Short wavelength
2. High quantum energy
3. High pulse energy density obtained by focusing
4. The extreme peak power when the pulse energy is compressed into ultrashort pulses.