Реферат: Методический пакет учебного курса

МЕТОДИЧЕСКИЙ ПАКЕТ

учебного курса

«Лазеры и их применение»


(коды по общероссийскому классификатору ОКСО

010500, 010600, 010700)


Аннотация

В современной науке, технике, медицине, биологии и других областях человеческой деятельности лазеры находят широчайшее применение. В связи с этим газовым лазерам и механизмам их работы посвящено довольно большое количество как научных, так и учебных изданий, содержащих обзорную информацию по различным газовым лазерам или рассматривающих их отдельные типы. Для возбуждения газовых лазеров используются различные способы и источники накачки – газовый разряд, электронные и ионные пучки, газодинамический метод, химические реакции и др.

Кроме этих традиционных методов накачки в научной литературе рассматривалась возможность использования для накачки лазеров мощных, компактных и энергоемких источников ядерной энергии. Применение ядерных излучений для накачки активных сред и создание на этой основе лазеров с ядерной накачкой является сравнительно новым научно-техническим направлением, которое находится на стыке двух дисциплин – квантовой электроники и ядерной физики.

Примерно за 40 лет, прошедших от начала 60-х годов прошлого века до настоящего времени, развитие работ в этом направлении прошло последовательный ряд стадий – от первых предложений по использованию источников ядерной энергии для накачки лазеров до создания разнообразных лазеров с ядерной накачкой. В настоящее время исследования лазеров с ядерной накачкой достигли такого уровня, когда стала реальной инженерно-конструкторская разработка непрерывных и импульсных ядерно-лазерных установок для конкретных применений. Такие установки представляют собой комплексные устройства, базирующиеся на достижениях ядерной физики и техники, квантовой электроники, газовой динамики, оптики и др.

Настоящий курс лекций состоит из трех основных частей: основы физики лазеров, характеристики наиболее интересных лазеров, применение лазеров. В первой части курса рассмотрены свойства усиливающей среды и основы теории резонаторов, во второй – методы создания инверсной населенности и характеристики таких известных лазеров, как гелий-неоновый лазер, СО2-лазер, химические и газодинамические лазеры, а также лазеры, возбуждаемые ионизирующими излучениями. В третьей части курса основное внимание будет уделено вопросам применения лазеров. Особое внимание в настоящем курсе уделено лазерам с ядерной накачкой.

Курс рассчитан на магистров, проходящих обучение по различным магистерским программам, и слушается на 5 году обучения.

^ Цель и задачи курса
Цель курса – дать будущим инженерам-физикам необходимый минимум сведений по квантовой электронике, а именно: физические основы квантовой электроники, методы создания активной лазерной среды, основы теории оптических резонаторов, свойства некоторых лазеров (включая лазеры, возбуждаемые ионизирующими излучениями – лазеры с ядерной накачкой), применение лазеров и тенденции их развития. Овладение данным курсом позволит физикам-экспериментаторам использовать уже существующие лазеры в практической деятельности и разрабатывать новые лазеры с уникальными свойствами. Курс позволит физикам-теоретикам понять основные законы функционирования лазеров и работать над их усовершенствованием.


^ Интерфейс входных и выходных компетенций студентов

Предполагается, что студенты, слушающие данный курс, знают общую физику, квантовую механику, квантовую электронику и ядерную физику в объеме стандартной университетской программы. В результате изучения курса «Лазеры и их применение» студенты поймут принципы работы лазеров, ознакомятся с различными типами лазеров, в том числе и с лазерами с ядерной накачкой. Этот курс послужит теоретическим основанием для дальнейших экспериментальных курсов и лабораторных работ, связанных с лазерами. Полученные при изучении данного курса знания будут востребованы в дальнейшей практической работе и при изучении многих специальных разделов физики.


^ Структура курса

Курс семестровый,

включает в себя 2 часа лекционных занятий в неделю, 16 недель.

Формы контроля:

полусеместровая контрольная работа (8 неделя);

зачет по курсу.
^ Количество ежегодных слушателей курса
Предлагаемый курс «Лазеры и их применение» является специальным и слушается студентами, проходящими подготовку для работы в Федеральных ядерных центрах РФ. Поэтому число слушателей курса ограничено и ежегодно составляет 3-5 человек.


^ Календарный план курса

«Лазеры и их применение»


1-я неделя (Основные понятия квантовой электроники).

История возникновения квантовой электроники. Определение квантовой электроники. Индуцированные и спонтанные переходы, коэффициенты Эйнштейна. Когерентность индуцированного излучения.

2-я неделя (Ширина линии излучения).

Соотношение неопределенностей «энергия-время». Естественное время жизни, ширина линии спонтанного излучения. Лоренцева форма линии. Однородное и неоднородное уширение линии.

3-я неделя (Усиление излучения).

Поглощение и усиление в активной среде. Сечение поглощения. Эффект насыщения. Плотность потока насыщающего излучения.

4-я неделя (Лазеры-усилители).

Усиление и генерация. Полоса пропускания усилителя бегущей волны. Максимальная выходная мощность усилителя. Импульсный режим, максимальная выходная энергия. Изменение формы импульса при нелинейном усилении.

5-я неделя (Открытые резонаторы).

Открытый резонатор, его добротность. Условия самовозбуждения. Моды резонатора. Устойчивость резонаторов, диаграмма устойчивости. Типы устойчивых резонаторов. Неустойчивые резонаторы, коэффициент увеличения. Зеркала резонаторов.

6-я неделя (Газовые лазеры низкого давления).

Особенности газообразной активной среды. Основные методы возбуждения: электрический разряд, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка. Наиболее известные газовые лазеры: гелий-неоновый лазер, ионные лазеры, лазеры на парах металлов, ионные лазеры, СО2-лазеры, химические лазеры.

7-я неделя (Особенности газовых лазеров высокого давления).

Способы накачки (электрический разряд, ионизирующие излучения). Источники накачки и особенности конструкции. Кинетика плазменных процессов и образование инверсной населенности в эксимерных лазерах, лазерах на электронных переходах молекул, лазерах на переходах атомов инертных газов.

8-я неделя (Характеристики наиболее мощных газовых лазеров высокого давления).

Эксимерные лазеры и их особенности. Химические лазеры, инициируемые ионизирующими излучениями. Молекулярные СО2- и СО-лазеры. Лазеры на переходах атомов инертных газов и электронных переходах молекул.

Полусеместровая контрольная работа.

9-я неделя (Химические лазеры).

Рассматриваются «химические» механизмы создания инверсии населенностей на переходах активных частиц, типы химических реакций, параметры и режимы работы химических лазеров. Подробно обсуждаются области применения химических лазеров с различными параметрами.

10-я неделя (Лазеры с ядерной накачкой - ЛЯН).

Способы возбуждения и источники накачки. Предельный КПД. Схемы экспериментов и проблемы поиска лазерных сред. Современное состояние исследований ЛЯН. Характеристики ксенонового лазера – наиболее мощного среди ЛЯН. Другие типы ЛЯН.

11-я неделя (Механизмы генерации ЛЯН).

Основные характеристики плазмы и механизмы образования инверсной населенности уровней. Кинетическая модель лазера на переходах атома Xe (расчет параметров плазмы, процессы заселения и тушения лазерных уровней, сравнение расчетных и экспериментальных данных). Кинетические модели других ЛЯН.

12-я неделя (Проблемы создания ядерно-лазерных установок).

Основные варианты ядерно-лазерных установок или реакторов-лазеров (РЛ). РЛ с тонкопленочным топливом, их характеристики. Лазерная ячейка – элемент конструкции активной зоны РЛ. Проекты РЛ и их возможные применения. Проблемные вопросы создания РЛ.

13-я неделя (Лазеры на конденсированных средах).

Активные среды лазеров на конденсированных средах. Механизмы создания инверсии. Источники излучения и системы накачки. Рубиновый и неодимовый лазеры. Лазеры на красителях. Лазеры на центрах окраски.

14-я неделя (Жидкостные и полупроводниковые лазеры).

Отличительные особенности полупроводниковых лазеров. Энергетические зоны носителей тока в полупроводниках. Методы получения инверсной населенности. Диодные инжекционные лазеры. Гетероструктуры.

15-я неделя (Методы измерения лазерных характеристик).

Определение потерь в резонаторе. Измерение параметров усиления. Измерение мощности и энергии излучения. Измерение длины волны генерации. Измерение угла расхождения и распределения энергии в пучке.

16-я неделя (Тенденции развития).

Новые длины волн лазерного излучения. Видимая область и ИК диапазон. Дальняя УФ область и рентгеновская область. Методы нелинейной оптики. Области применения лазеров.


^ Варианты контрольных опросов

по курсу «Лазеры и их применение»

Ниже приводятся варианты полусеместровых контрольных работ по курсу «Лазеры и их применение». В связи с тем, что курс не сопровождается практическими занятиями, эти контрольные работы носят характер письменных контрольных опросов.
Вариант 1.

Вопрос 1. Сформулировать основные принципы работы лазеров.

Вопрос 2. Перечислить и обсудить особенности газовых лазеров высокого давления (способы накачки, источники накачки, особенности конструкции).

Вопрос 3. Соотношение неопределенностей «энергия-время». Естественное время жизни, ширина линии спонтанного излучения.

Вариант 2.

Вопрос 1. Индуцированные и спонтанные переходы, коэффициенты Эйнштейна.

Вопрос 2. Принципы работы квантовых усилителей и генераторов.

Вопрос 3. Способы накачки лазеров.

Вариант 3.

Вопрос 1. Поглощение и усиление в активной среде. Сечение поглощения. Плотность потока насыщающего излучения.


Вопрос 2. Газовые лазеры низкого давления. Основные методы возбуждения.


Вопрос 3. Эксимерные лазеры и их особенности.


Литература


Основная

Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М., Наука, 1983.

Звелто О. Принципы лазеров. М., Мир, 1990.

Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. М., Мир, 1981.


Дополнительная

Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы.

Синянский А.А. Исследования по созданию ядерно-лазерных устройств непрерывного действия во ВНИИЭФ. – Труды 2-ой международной конф. «Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой», 1995, Арзамас-16, т.1, с.16-36.

Дьяченко П.П. Труды 3 Международной конференции «Проблемы лазеров с ядерной накачкой и импульсные реакторы», Снежинск, 2003, с. 5-30.



Вопросы к зачету

по курсу «Лазеры и их применение»

Ниже приводятся вопросы к зачету по курсу «Лазеры и их применение». В зависимости от объема материала по соответствующему вопросу каждый студент может получить один или два вопроса. После часовой подготовки студент должен осветить основные моменты полученных вопросов и ответить на ряд (как правило 2-3) дополнительных вопроса, уже не столь громоздких как основные.


Дать определение индуцированным и спонтанным переходам.

Что такое коэффициенты Эйнштейна?

Ширина линии излучения.

Однородное и неоднородное уширение линии излучения.

В каком случае происходит усиление энергии внешнего излучения?

Что такое сечение усиления?

Дать объяснение эффекту насыщения при увеличении интенсивности излучения.

Что такое открытый резонатор?

Условия устойчивости резонатора.

Коэффициент усиления неустойчивых резонаторов.

Перечислить основные типы газовых лазеров.

Основные механизмы образования инверсной населенности уровней в газовых лазерах.

Каким образом создается инверсная населенность уровней в гелий-неоновом лазере?

Способы накачки газовых лазеров высокого давления.

В чем особенность эксимерных лазеров?

Основные принципы работы химических лазеров.

Основные способы возбуждения газовых сред при их возбуждении ионизирующими излучениями.

Перечислить основные типы газовых лазеров с ядерной накачкой и указать их основные характеристики.

Механизмы образования инверсной населенности уровней в лазерах с ядерной накачкой.

Механизм генерации ксенонового лазера с ядерной накачкой.

Рубиновый лазер и его основные характеристики.

Неодимовый лазер и его основные характеристики.

Какие методы используются при измерении энергии и мощности лазерного излучения?

Основные методы измерения коэффициентов усиления лазерных сред.

Перечислить основные области применения лазеров.

В чем заключается основной принцип использования лазерного излучения для инициирования термоядерного синтеза?


^ Аннотации лекций

по курсу «Лазеры и их применение»


Ниже приводятся аннотации всех лекций по рассматриваемому курсу. Все аннотации освещают цели и задачи данной лекции, основные методы их решения и т.д. Имея тексты данных аннотаций, легко ориентироваться в структуре курса, понять место каждой лекции в общем объеме материала.


Лекция 1 (Основные понятия квантовой электроники).

Квантовая электроника – область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения путем использования эффекта индуцированного испускания излучения в термодинамически неравновесных системах, свойства получаемых таким образом усилителей и генераторов и их применения.

Понятие об индуцированном излучении было введено в физику А.Эйнштейном в 1916 году, он же предсказал когерентность такого излучения, которая была позже (1929 год) строго обоснована Дираком в созданной им квантовой теории излучения. В 1939 году советский физик В.А.Фабрикант, изучавший отрицательное поглощение в газах, указал на возможность усиления света за счет индуцированного излучения как на способ обнаружения этого излучения. Несмотря на важность сделанных в этих работах выводов, они, к сожалению, остались практически не замеченными и не оказали существенного влияния на создание лазеров. Это же относится и к поданной В.А.Фабрикантом с сотрудниками в 1951 году заявке на изобретение "нового способа усиления электро­магнитного излучения УФ, видимого, ИК и радиодиапазонов", которая была опубликована только в 1959 году, уже после создания мазеров и публикаций другими учеными предложений о создании лазеров.

Первый квантовый генератор, работающий на переходе молекулы аммиака с длиной волны 1,25 см, был создан в 1954 году Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в Физическом институте им. П.Н.Лебедева АН СССР и группой под руководством Ч.Таунса в Колум­бийском университете (США). Первые лазеры (газовый лазер на смеси He-Ne и твердотельный рубиновый лазер) были созданы в 1960-1961 г.г. Т.Мейманом и А.Джаваном (США).

Во ВНИИЭФ начиная с середины 60-х годов были выполнены исследования лазеров с ядерной накачкой, фотодиссоционных лазеров, химических лазеров и ряда других.

Лекция 2 (Коэффициенты Эйнштейна. Ширина линии излучения).

В квантовых системах, обладающих дискретными уровнями энергии, существуют три типа переходов между энергетическими состояниями: 1) переходы, индуцированные электромагнитным полем; 2) спонтанные переходы; 3) безызлучательные релаксационные переходы. Важным свойством индуцированного излучения является то, что рожденные по этому механизму кванты идентичны тем, что индуцировали излучение, в частности, они распространяются в том же направлении и имеют то же состояние поляризации. Из общих термодинамических принципов можно получить соотношения между вероятностями индуцированных и спонтанных переходов (коэффициенты Эйнштейна).

Линии излучения и поглощения линейчатого спектра имеют конечную ширину. Имея в виду этот факт, говорят об уширении линий дискретных переходов. Чтобы учесть уширение, вводят коэффициенты Эйнштейна, зависящие от частоты. Существует ряд факторов, приводящих к уширению энергетических уровней: радиационное или спонтанное излучение (естественная ширина линии), безызлучательные релаксационные переходы (однородное уширение, лоренцева форма линии), хаотическое движение атомов (неоднородное уширение, допплеровская форма линии).

Лекция 3 (Принципы работы квантовых усилителей и генераторов. Поглощение и усиление в активной среде).

Системы квантовых частиц, в которых хотя бы для двух уровней энергии верхний уровень населен сильнее нижнего уровня, называются системами с инверсией населен­ностей. Такие системы способны усиливать излучение.

Для создания инверсии населенностей необходимо дополнительное внешнее воздействие для вывода системы из равновесного состояния. Вне зависимости от конкретного механизма образования инверсии это внешнее воздействие должно преодо­левать процессы, которые восстанавливают равновесие, и, следовательно, сопровождаться затратами энергии от источника накачки.

Для плоской световой волны, распространяющейся в направлении z, интенсивность излучения изменяется по закону: dI/ I = kdz (закон Бугера-Ламберта-Бера в дифференци­альной форме, k  коэффициент поглощения). Если k < 0 (среда с инверсией населен­ностей), световое излучение будет усиливаться, а  =  k называется коэффициентом усиления.

При высокой интенсивности излучения I происходит уменьшение . Этот эффект который называется эффектом насыщения, играет важную роль в квантовой электронике. Насыщение снижает коэффициент усиления сред с инверсией населенностей, что часто является нежелательным. Иногда этот эффект может быть полезным. Например, при отсутствии инверсии населенностей, когда среда является поглощающей, может происходить уменьшение коэффициента поглощения и просветление среды.

Лекция 4 (Усиление и генерация лазерного излучения).

В данной лекции рассмотрена работа лазерных усилителей и генераторов.

В первом случае используется маломощный источник, излучение которого пропускается через усилива­ющую среду с инверсией населенностей. На выходе из усилителя интенсивность излучения увеличивается. По такой схеме работают, например, известные мощные импульсные установки, предназначенные для исследований в области лазерного термоядерного синтеза. Для определения интенсивности излучении на выходе усилителя можно решить уравнение переноса излучения в усиливающей среде. Интенсив­ность выходного излучения зависит от трех наиболее важных параметров среды  коэффициентов усиления , нерезонансных потерь  и параметра насыщения Is.

Для осуществления генераторного режима работы лазера необходимо организовать обратную связь. В лазерной технике это достигается тем, что усиливающая среда помещается в открытый оптический резонатор, который в простейшем случае состоит из двух зеркал. В резонаторе лазера усиливаемое излучение распространяется в активной среде между зеркалами в виде нарастающих бегущих волн. Из уравнения переноса для бегущих волн можно определить мощность лазерного излучения на выходе из резонатора. Мощность лазерного излучения в генераторном режиме зависит не только от , , Is, но и от коэффициентов отражения (пропускания) зеркал резонатора.

Лекция 5 (Способы накачки лазеров).

Процесс создания инверсной населенности уровней называется накачкой активной или лазерной среды. Все методы накачки нацелены на эффективное заселение определенных возбужденных состояний или, как говорят, на селективное заселение верхних лазерных уровней. Из основных способов накачки можно выделить следующие:

1. Оптическая накачка, которая используется в основном для возбуждения лазеров на конденсированных средах (трех- и четырехуровневые схемы накачки).

2. Фотодиссоционная накачка (разновидность оптической накачки) используется для молекулярных газовых сред, которые диссоциируют при поглощении светового излучения накачки. Среди продуктов диссоциации по крайней мере один атом может оказаться в возбужденно состоянии. Наиболее известные фотодиссоционные лазеры, активные среды которых содержат молекулярные соединения C3F7I или CF3I, работают на переходах атома йода с длиной волны излучения  = 1,315 мкм.

3. Газовый разряд – один из наиболее распространенных методов накачки газовых лазеров как низкого ( 50 мм рт. ст.), так и высокого ( 1 атм) давления. Применение газового разряда позволило получить генерацию более чем на 6000 переходах атомов, ионов, молекул при использовании примерно 130 различных элементов и молекулярных соединений в диапазоне длин волн 0,115-337 мкм.

4. Химическая накачка используется для создания инверсной населенности уровней в химических лазерах. Инверсная населенность возникает непосредственно в процессе химических реакций между компонентами активной среды. Излучение химического лазера есть результат прямого преобразования химической энергии в лазерное излучение. Для инициирования химических реакций чаще всего используются различные типы газовых разрядов и пучки быстрых электронов. Наиболее известными являются химические лазеры на колебательно-вращательных переходах молекулы HF ( = 2,6-3,3 мкм).

5. Газодинамическая накачка, в основе которой лежит быстрое охлаждение предварительно нагретой до температур 1000-2000 К газовой смеси. В качестве лазерных сред исполь­зуются молекулярные газы, чаще всего лазерные смеси на основе СО2 ( = 10,6 мкм).

6. Накачка лазеров ионизирующими излучениями с использованием пучков быстрых электронов и ионов, ядерных реакторов, ядерных взрывных устройств, радиоактивных изотопов.

Лекции 6-7 (Открытые резонаторы).

Важнейшим элементом лазерных устройств является резонатор, при использовании которого за счет многократного отражения достигается наиболее полное взаимодействие электромагнитного излучения с активной средой. Обеспечивая положительную обратную связь, резонатор существенно влияет на свойства лазерного излучения и определяет, в частности, его диаграмму направленности и спектральный состав.

В оптическом диапазоне спектра используют открытые резонаторы, у которых отражающие стенки не замкнуты. В простейшем случае резонатор состоит из двух зеркал. Для вывода излучения наружу одно из зеркал должно быть полупрозрачным. Это определяет необходимые полезные потери резонатора, которые называются потерями на излучение. Часто для характеристики потерь энергии в резонаторе вводят понятие добротности. Кроме полезных потерь на излучение в реальном резонаторе существуют дополнительные потери (дифракционные потери, потери в активном веществе, потери из-за разъюстировки зеркал резонатора).

Резонатор формирует определенные состояния поля излучения, которые называются модами или типами колебаний. Отдельная мода обозначается как TEMmnq, где m и n – поперечные индексы моды, а q – продольный индекс. Каждая мода характеризуется определенной пространственной структурой поля (распределением амплитуды и фазы) в поперечном к оси резонатора направлении. Продольными или аксиальными модами в резонаторе называются моды с разными значениями индекса q. Совокупность продольных мод с данным сочетанием индексов m и n объединяют под названием поперечной или неаксиальной моды.

Наибольшее распространение в лазерной технике получили оптические резонаторы, образованные двумя сферическими или одним сферическим и одним плоским зеркалами. Из резонаторов со сферическими зеркалами можно выделить следующие типы: конфо­кальный, полуконфокальный, концентрический, полуконцентрический.

Свойства резонаторов зависят от знака и величины радиуса их кривизны и расстояния между ними. Именно эти параметры определяют устойчивость существования в резонаторе электромагнитной волны. В устойчивом резонаторе распределение электро­маг­нитного поля воспроизводится идентично при многократных проходах излучения между зеркалами. В приближении геометрической оптики это означает, что излучение не выходит за пределы зеркал в поперечном направлении. В неустойчивом резонаторе световые пучки в результате последовательных отражений от зеркал перемещаются в поперечном относи­тельно оси резонатора направлении и покидают его. Для резонатора с произвольными значениями радиусов кривизны R1, R2 и расстояния между ними L условие устойчивости имеет вид: 0 g1g2  1, где g1 = 1  L/R1, g2 = 1  L/R2.

В лазерах повышенной мощности с высокими коэффициентами усиления часто используют неустойчивые резонаторы, для которых выполняются условия g1g2  0,
g1g2  1. Из-за высоких дифракционных потерь излучения (особенно для мод с большими значениями m и n ) в неустойчивых резонаторах происходит эффективное выделение основной моды, что позволяет получить высокую направленность лазерного излучения.

Лекция 8 (Режимы работы лазеров. Управление характеристиками лазерного излучения).

Режимы работы лазеров, которые осуществляются на практике, бывают стационар­ными или нестационарными, т.е. постоянными или изменяющимися во времени. Стационарные условия выполняются в том случае, когда процессы накачки лазерной среды и генерации продолжаются в течение времени τн заметно превышает характерные времена τр процессов релаксации энергии в лазерной среде. Таким образом, для непрерывных лазеров τр << τн. Режим работы считается нестационарным, если τр >> τн.

В качестве примера нестационарных режимов работы можно привести режимы регулярных и нерегулярных пичков в твердотельных лазера (рубин, неодимовое стекло), а также режим модулированной добротности, возникающий при модуляции добротности резонатора. Из основных способов модуляции добротности можно отметить использование оптико-механических, электрооптических и акустооптических модуляторов. Эти способы модуляции добротности называются активными. Существует также пассивный способ модуляции добротности, при использовании которого потери в резонаторе регулируются автоматически. В этом случае используются нелинейные просветляющиеся фильтры (например, красители), коэффициент пропускания которых зависит от мощности излучения. В режиме модулированной добротности мощность лазерного излучения может быть очень высокой – до 1 ГВт при длительности импульса ~ 10 нс.

Для получения мощных коротких импульсов лазерного излучения можно также использовать метод синхронизации мод. При использовании метода синхронизации мод (точнее синхронизации фаз продольных мод лазера) получены очень короткие импульсы длительностью до 10-12 с и пиковой мощностью до 1012 Вт.

Для изменения временных и спектральных характеристик лазеров в их конструкцию вносят изменения, чтобы получить излучение с заданными конкретными свойствами. Для улучшения частотного (модового) состава лазерного излучения используют методы селекции мод, которые основаны на увеличении потерь энергии в резонаторе для нежелательных мод при сохранении высокой добротности резонатора для требуемой моды. Различают методы угловой и частотной селекции, называемые также селекцией поперечных и продольных мод соответственно.

Лекция 9 (Газовые лазеры низкого давления).

В газовых лазерах в качестве активных сред могут использоваться разнообразные переходы между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии нейтральных или ионизованных атомов и молекул. Поэтому газовые лазеры излучают более чем на 6000 различных переходах в очень широком диапазоне спектра от ультрафиолетовой до субмиллиметровой области.

Наиболее широкое распространение получили газоразрядные лазеры, которые в свою очередь подразделяют на три группы: атомарные, ионные и молекулярные. Газовый разряд, как правило, создается непосредственно в самой активной среде. Используют различные виды газовых разрядов: самостоятельный и несамостоятельный, импульсный и стационарный, дуговой и тлеющий, высокочастотный разряд и разряд постоянного тока.

Для накачки газоразрядных лазеров низкого давления (≤ 10 мм рт. ст.) используют два типа стационарных разрядов: тлеющий (лазеры на атомных переходах и молекулярные лазеры) и дуговой (ионные лазеры). Тлеющий разряд – слаботочный (плотность тока ≤ 0,1 А/см2) низкотемпературный разряд с относительно низкой степенью ионизации (≤ 10-4), дуговой разряд – сильноточный (плотность тока до 1000 А/см2) высокотемпера­турный разряд с высокой степенью ионизации (> 10-2).

Из многочисленных газовых лазеров низкого давления, возбуждаемых стационар­ным тлеющим разрядом, в этой лекции подробно рассмотрены характеристики лазеров на смесях He-Ne (λ = 0,63; 1,15 и 3,39 мкм) и He-Cd (λ = 325,0 и 441,6 нм), а из лазеров, возбуждаемых дуговым разрядом – ионный аргоновый лазер (8 линий в диапазоне 455-515 нм). Наиболее мощным из них является аргоновый ионный лазер, для которого мощность излучения достигала 100 Вт при КПД до 0,1 %.

Из газоразрядных лазеров представляют интерес так называемые лазеры на самоограниченных переходах, у которых верхним лазерным уровнем является первое резонансное состояние, а нижним – метастабильное состояние. Эффективность возбуж­дения резонансного уровня может быть очень высокой. Так, в разряде на парах ртути на возбуждение резонансного уровня расходуется около 60 % энергии, вводимой в разряд. Такие лазеры могут работать только в импульсном режиме, так как нижнее состояние является долгоживущим и инверсия населенностей может поддерживаться лишь короткое время до тех пор, пока населенности верхнего и нижнего уровней не выравниваются.

В настоящее время получена генерация примерно на 40 самоограниченных переходах атомов и ионов металлов Pb, MN, Cu, Ba, Sr, Au, Ca, Yb, Bi, Fe, Tl в диапазоне спектра 310-650 нм. В качестве активных сред таких лазеров используют смеси буферного газа (гелий, неон или аргон) при давлениях 10-50 мм рт. ст. и пары металлов с парциальными давлениями 0,3-3 мм рт. ст. Для получения необходимой концентрации паров металлов газоразрядные трубки нагреваются в трубчатых печах или используются специальные саморазогревные разрядные трубки.

Наиболее известным представителем семейства лазеров на самоограниченных переходах является лазер на парах меди (λ = 511 и 578 нм), для которого получены максимальные энергетические параметры. При работе в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения импульсов 235 кГц средняя мощность лазерного излучения составляет 100 Вт при довольно высоком КПД около 1 %.

Генерация в импульсном режиме на сомоограниченных переходах получена также на электронных переходах молекул N2 (λ = 320-8200 нм), H2 (λ = 110-160; 830 -1600 нм), CO (λ = 450-660 нм), NO (λ = 1022 нм), причем для накачки N2- и H2-лазеров низкого давления (10-40 мм рт. ст.) использовался не только газовый разряд, но и пучки быстрых электронов.

Лекция 10 (Молекулярные СО2-лазеры: механизм генерации; характеристики при накачке в тлеющем разряде низкого давления).

Молекулярные СО2-лазеры, излучающие на колебательно-враща­тельных переходах основного электронного состояния молекулы СО2, занимают особое место в лазерной физике и технике благодаря высоким энергетическим параметрам, возможности реализации различных режимов работы, а также возможности использования для их накачки разных способов возбуждения (газоразрядный, газодинамический, химический).

Молекула СО2 представляет собой линейную симметричную молекулу, которая имеет три типа нормальных колебаний: симметричное валентное, деформационное и несимметричное валентное. Лазерный переход с наиболее интенсивной длиной волны излучения 10,6 мкм происходит между колебательными уровнями 0001 и 1000. В качестве активной среды при накачке в газовом разряде используется, как правило, смесь He-N2-CO2.

Эффективное заселение верхнего лазерного уровня 0001 осуществляется благодаря следующим трем процесса:

1. Столкновение с электронами

e + CO2(0000)  e + CO2(0001).

2. Резонансная передача возбуждения от молекулы N2

N2(V = 1) + CO2(0000)  N2(V = 0) + CO2(0001).

Молекулы N2 эффективно возбуждаются: в тлеющем разряде от 40 до 80 % молекул азота возбуждены.

3. Столкновение молекул CO2 в состояниях 000V (V  2) с молекулами CO2 в основном состоянии 0000

CO2(000V) + CO2(0000)  CO2(000V-1) + CO2(0001).

Механизм генерации СО2-лазеров выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают, в основном, молекулы азота, которые передают энергию возбуждения верхнему лазерному уровню 0001, имеющему большое время жизни. Нижний лазерный уровень 1000 расселяется (разрушается) за счет столкновений с атомами гелия.

В СО2-лазере генерация может происходить не только на P- и R-ветвях колеба­тельной полосы 0001-1000 (  10,3 и 10,6 мкм), но и на переходах полосы 0001-0200 (P- ветвь   = 9,6 мкм; R-ветвь   = 9,3 мкм). При использовании перестраиваемого селективного резонатора можно получить лазерное излучение практически на любой из линий P- и R-ветвей полос 0001-1000 и 0001-0200.

Конструкции газоразрядных СО2-лазеров низкого давления могут быть весьма разно­образными: 1) лазеры с продольным относительно оси резонатора возбуждением и продоль­ной прокачкой газа; 2) лазеры с поперечной относительно оси резонатора прокачкой газа; 3) волноводные лазеры. Для таких лазеров получены высокие энергети­ческие параметры – мощность лазерного излучения в непрерывном режиме достигала 10-20 кВт при КПД до 20 %.

Лекция 11 (Импульсные СО2-лазеры высокого давления. СО-лазеры. Газо­дина­ми­­ческие лазеры ).

Импульсные СО2-лазеры. Для повышения энергетических параметров СО2-лазера необходимо увеличить давление активной среды до атмосферного и выше, что приведет к уве