Оглавление

1. История создания лазера

2.Газовые лазеры

2.1.Молекулярные лазеры.

3. Физика СО2-лазеров.

4. Схема газоразрядных СО2-лазеров.

4.1. Проблемы и недостатки газоразрядных СО2-лазеров.

5. Электроионизационный метод накачки СО2-лазера высокого давления.

Вывод.

Список литературы.

1. История создания лазера

Первые предпосылки к созданию лазеры были еще в 1916 году, когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном (индуцированном) испускании и поглощении излучения и предсказал его когерентность вынуждающему излучению. Позже, в 1927 году, предположение Эйнштейна строго обосновал Дирак при создании им квантовой теории излучения.

Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение была предпринята в 1928 Рудольфом Ладенбургом и Гансом Копферманом. Изучая дисперсию света в электрически возбужденных газах, они показали возможность обнаружения индуцированного излучения, как преобладание его над поглощением, отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

После долгих изучений этого явления всем научным сообществом, в 1950 году был предложен метод оптической накачки для создания инверсной населенности в среде Альфредом Кастлером. В 1952 году он вместе со своими коллегами Бросселем и Винтером реализовали этод метод на практике. Таким образом до создания квантового генератора остался всего один шаг, нужно было поместить систему в резонатор.

В 1954 году был сделан первый микроволновый генератор или мазер. В мазере роль активной среды играл аммиак, который находился в объемном резонаторе, размеры которого были порядка 12,6 мм. По расчетам, для того чтобы создать излучение в видимом диапазоне, необходимо было сделать резонатор размеры которого должны быть порядка микрона. Из-за технологических трудностей считалось, что создания такого генераторы невозможно.

1960 год: 16 мая Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. В качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина (оксид алюминия Al₂O₃ с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора служил резонатор Фабри-Перо, образованный серебряными зеркальными покрытиями, нанесёнными на торцы кристалла. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме А. Джаваном, У. Беннетом, Д. Хэрриотом. Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, но в 1962 году был модифицирован для излучения видимого красного света с длиной волны 632,8 нм. И это был первый газовый лазер.

Чуть позже, в 1964 году, был изобретен углекислотный лазер Кумаром Пателем. В его работе КПД лазера достигало порядка 10%, что даже по нынешнем меркам достаточно много.

2.Газовые лазеры

К газовым − относятся лазеры, активная среда которых находится в газовой фазе. Это могут быть собственно газы, т.е. вещества, пребывающие в газообразном состоянии при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре, или пары, т.е. вещества, существующие при нормальных условиях в твердой или жидкой фазе. В последнем случае вещество искусственно нагревается до образования газообразной активной среды. 

В газовых средах инверсия возникает на возбужденных состояниях изолированных атомов, ионов или молекул. Ширина линии генерации газового лазера минимальна среди всех видов лазеров и может быть в ряде случаев меньше долей герца. Газовая среда обладает гораздо большей оптической однородностью, поэтому потери на рассеяние в ней минимальны и, соответственно, в газовых лазерах можно получить наименьший угол расхождения пучка. 

Относительно небольшая плотность активных частиц в газовой среде имеет и определенный минус, так как выполнить условие генерации для среды с малой плотностью активных частиц можно только при наличии среды большой протяженности. Поэтому газовые лазеры имеют гораздо большие размеры, чем твердотельные или полупроводниковые лазеры. В зависимости от используемой газообразной среды и поставленных задач длина разрядных трубок газовых лазеров меняется от нескольких сантиметров до нескольких метров, а выходные мощности – от долей ватта до киловатт. 

Область длин волн, в которой работают газовые лазеры, простирается от ультрафиолетовой (~ 0,2 мкм) до далекой инфракрасной области спектра (400 мкм), частично захватывая даже миллиметровую область спектра. 

Газовые лазеры принято разделять на три группы: 

1) лазеры на атомарных газах; 

2) ионные лазеры; 

3) молекулярные лазеры. 

Лазеры на атомарных газах, как правило, работают на переходах в инфракрасной области спектра. Излучение ионных лазеров приходится, в основном, на видимую область спектра и частично захватывает ультрафиолетовую (УФ). Хотя для молекулярных лазеров имеется несколько переходов в видимой и УФ областях спектра, основная часть их работает в ИК с длинами волн больше 5 мкм. 

В подавляющем большинстве случаев в газовых лазерах накачка среды осуществляется за счет газового разряда, создаваемого непосредственно в самой активной среде.

2.1.Молекулярные лазеры.

В отличие от нейтральных атомов, энергетический спектр молекул гораздо богаче, т.к. для них, к движению электронов добавляется еще колебания ядер атомов и вращение молекулы. В зависимости от типа участвующего в генерации перехода, молекулярные лазеры можно разделить на следующие три класса: 

1.Лазеры на колебательно-вращательных переходах. 

В таких лазерах используются переходы между колебательными уровнями одного и того же электронного состояния (основного состояния), и разница энергий между уровнями перехода такого типа попадает в область от среднего до дальнего ИК — диапазона (2,5-300 мкм). В настоящее время наибольшее значение из этого класса лазеров имеет СО₂-лазер, генерирующий на длине волны 10,6 или 9,6 мкм. Следует упомянуть и другие примеры, такие как СО-лазер (λ ≅ 5 мкм) и химический HF лазер (λ ≅ 2,7-3,3 мкм).

2.Лазеры на электронно-колебательных (вибронных) переходах. 

В таких лазерах используются переходы между колебательными уровнями различных электронных состояний. В этом случае длина волны генерации обычно попадает в УФ-область спектра. Наиболее интересный пример этой категории лазеров – азотный лазер (λ ≅ 337 нм). Отдельный класс лазеров, который можно было бы отнести к вибронным лазерам, составляют эксимерные лазеры. В этих лазерах используются переходы между различными электронными состояниями специальных молекул (эксимеров) с длиной волны излучения, лежащей, как правило, в УФ-диапазоне. Однако эксимерные лазеры используют не только переходы между связанными состояниями (связанно — связанные переходы), но и, что бывает гораздо чаще, переходы между связанным верхним состоянием и основным состоянием, в котором атомы отталкиваются друг от друга (связанно-свободные переходы). Поэтому целесообразно рассматривать эти лазеры как отдельную категорию. 

3.Лазеры на чисто вращательных переходах. 

В них используются переходы между различными вращательными уровнями одного и того же колебательного состояния (как правило, возбужденного колебательного уровня основного электронного состояния). Соответствующая длина волны генерации попадает в дальний ИК или субмиллиметровый диапазон (25 мкм-1 мм). В лазерах данного типа труднее получить генерацию, поскольку релаксация между вращательными уровнями происходит, как правило, с очень большой скоростью. Поэтому такие лазеры обычно накачивают оптически, используя выходное излучение другого лазера (как правило, СО₂ лазера). Оптическая накачка возбуждает данную молекулу (например, CH₂F, λ=496 мкм) на вращательный уровень, принадлежащий некоторому колебательному состоянию, расположенному выше основного уровня. После этого генерация осуществляется на переходах между вращательными уровнями данного верхнего колебательного состояния. В СССР ведущую роль в разработке таких лазеров играли кафедра квантовой радиофизики Харьковского Университета.

3. Физика СО₂-лазеров.

Молекулярные лазеры ИК диапазона работают на колебательно-вращательных переходах молекул СО₂ и СО. СО₂ — лазер имеет один из самых высоких КПД (около 30%) среди всех лазеров. В качестве лазерной среды применяется смесь гелия, азота и диоксида углерода. Лазерный переход происходит между двумя колебательными состояниями молекулы СО₂, азот обеспечивает эффективную накачку, а гелий – эффективный теплоотвод. 

Механизм образования инверсии населённостей состоит в следующем: ускоряемые электрическим полем электроны газоразрядной плазмы при столкновениях возбуждают колебания молекул N₂, которые, в свою очередь, сталкиваясь с молекулами CO₂, возбуждают их. Молекула CO₂ представляет собой линейную молекулу с тремя основными типами колебаний (рис. 1) Лазерное излучение возникает при переходах между колебательно-вращательными уровнями в основном электронном состоянии (рис. 2). Из-за расщепления колебательных уровней на различные вращательные уровни молекулы CO₂ возможно большое количество переходов в диапазоне 9,6 и 10,6 мкм.

Наибольшее усиление имеют линии, длина волны которых близка 10,6 мкм, поэтому лазер без дисперсионного элемента работает на этой длине волны. Для возбуждения лазера обычно используется продольный тлеющий разряд постоянного тока. Выходная мощность лазеров малой и средней мощности составляет 5 ÷ 40 Вт, расходимость – 1 ÷ 5 мрад.

СО — лазер работает в интервале длин волн 5 ÷ 6,5 мкм. Он обладает еще большим КПД (50 ÷ 75 %), сравнимыми с СО₂ — лазером уровнями мощности, также может перестраиваться в широком диапазоне длин волн. Рабочая смесь газов содержит гелий, азот, ксенон и кислород. Схема СО-лазера, практически такая же, как и СО₂-лазера, но механизм возбуждений и схема колебательных уровней имеют свои отличительные особенности. Схема энергетических уровней представлена на Рис. 3. Двухатомные молекулы обладают, только одной серией колебательных уровней. В импульсных или непрерывных газовых разрядов возбуждение этих уровней может достигаться за счет столкновения электронов с СО, но как и в СО₂-лазере, к СО добавляют азот. Азот передает полученную энергию молекулам СО, усиливая при этом возбуждение. Из-за этого, почти 90% энергии газового разряда переходит в энергию возбуждения. У СО-лазера квантовый выход может достигать высоких значений, потому что нижний лазерный уровень определенного перехода, может стать верхним лазерным уровнем другого перехода (по каскадному принципу). Минусом СО-лазера является то, что он сильно нагревается, за счет чего становиться не стабильным. Поэтому для создания СО-лазера требуется эффективное охлаждение газа. Для охлаждения используют жидкий азот температурой порядка 70 К. Из-за этого конструкция СО-лазера несколько усложнена и малоприменима по сравнению с СО₂-лазера.

 

Рис. 1. Три фундаментальные моды колебаний молекулы СО2: ν1 – симметричная валентная мода,
ν2 – деформационная мода, ν3 – асимметричная валентная мода.

 

Рис. 2. Упрощенная схема энергетических уровней СО₂-лазера.

 

Рис. 3. Схема энергетических уровней СО и СО₂ лазеров.

Будем обозначать колебательные состояния молекулы СО₂ набором трех колебательных квантовых чисел: ν₁, ν₂, ν₃. Эти числа равны кратности возбуждения соответственно симметричных, деформационных и ассиметричных колебаний молекулы. Так например, колебательное состояние (020) (ν₁ = 0, ν₂ = 2, ν₃ = 0) есть состояние, в котором двукратно возбуждены деформационные колебания и не возбуждены симметричные и асимметричные колебания.

Теперь перейдем к пояснению Рис. 2, где показаны уровни молекулы СО₂, отвечающие трем разным типам колебаний, а также первый возбужденный колебательный уровень молекулы азота. Верхним рабочим уровнем является уровень (001); нижним – уровни (100) и (020). На переходе от  (001) к (100) генерируется излучение с длиной волны 10,6 мкм, а на переходе от (001) к (020) – с длиной волны 9,6 мкм. Релаксация уровней (020) и (100) происходит за счет передачи энергии невозбужденным молекулам СО₂ – с накоплением молекул в состоянии (010).  Далее релаксация уровня (010) происходит за счет газокинетической передачи энергии атомам гелия. Таким образом, неупругие столкновения СО₂ (010) со специально вводимыми в газовую смесь добавками играют важную роль в создании инверсии. В связи с этим СО₂-лазеры относят к столкновительным лазерам.

Так же говоря о создании инверсии в СО₂-лазере стоит отметить необходимость обеспечения оптимального отношения Е/Р (Е – напряженность поля в области положительного столба заряда, Р – давление газовой смеси), при котором сечения электронного возбуждения молекул N₂ и уровня (001) молекул СО₂ были бы достаточно большими, а сечения возбуждения уровней (100), (020), (010) молекул СО₂ относительно малыми. На Рис. 4  приведены зависимости доли энергии, передаваемой электронами плазмы в различные колебательные степени свободы, от отношение Е/Р для конкретной ситуации, когда парциальные давления азота и двуокиси углерода равны. Приведенные кривые показывают, что оптимальные значения Е/Р лежат в области 5-10 В/см*мм.рт.ст.

 

Рис. 4. График зависимости долей энергии от Е/Р для различных колебательных уровней

Таким образом, необходимая для создания инверсии селективность заселения верхних и очищения нижних рабочих уровней в СО₂-лазере обеспечивается на практике введением в активную среду азота и специальных добавок (в определенных пропорциях) и, кроме того, подбором оптимальной величины отношения Е/Р.

4. Схема газоразрядных СО₂-лазеров.

На Рис.5 приведены схемы СО₂-лазера с прокачкой газа.

 

Рис. 5. Схемы СО₂-лазера.

На Рис.5, а): 1 – система прокачки СО₂, 2 – система прокачки N₂, 3 – область высокочастотного тлеющего разряда, 4 – рабочая область, где происходит смешивание возбужденного азота с невозбужденными молекулами СО₂, 5 – зеркала резонатора, 6 – выходное излучение. В данном варианте лазера электроны в разряде возбуждают только молекулы азота, а затем, уже в другой области пространства, возбужденные молекулы азота передают энергию активным центрам.

Далее, лазер, схема которого представлена на Рис.5, а), претерпел небольшую модификацию. В этой модификации применялся тлеющий разряд постоянного тока в смеси СО₂+N₂. Схема такого лазера представлена на Рис.5, б), где 1 – рабочий объем, 2 – анод, 3 – катод, 4 – зеркала резонатора, 5 – выходное излучение. Как и предыдущая, данная схема основана на прокачке газа. Прокачка газа позволяет избежать нежелательного изменения химического состава активной газовой смеси, происходящего в результате разряда химической реакции 2СО₂ – 2СО + О₂.

Но на самом деле, в настоящее время широко используют отпаянные СО₂-лазеры, то есть без прокачки газовой смеси. Срок службы такого лазера может достигать порядка 1000 часов. Схема такого лазера представлена на Рис.6, где 1 – газовая смесь в рабочем объеме, 2 – анод, 3 – катод, 4 – зеркала резонатора, 5 – выходное излучение.

 

Рис. 6. Отпаянный СО₂-лазер.

4.1. Проблемы и недостатки газоразрядных СО₂-лазеров.

Как правило, в описанных выше лазерах, давление в рабочей области газовой среды составляет порядка 1 – 10 мм.рт.ст. Поэтому такие лазеры можно назвать еще лазерами низкого давления. В результате низкого давления, концентрация активных центров составляет 10¹⁵-10¹⁶ см^-3, что ниже по отношению к твердотельным лазерам или жидкостным. Повышение концентрации активных центров весьма желательно для повышения мощности излучения, высвечиваемого единицей объема активной среды.

Но повышению давления в газоразрядных лазерах препятствуют два обстоятельства. Во-первых, при повышении давления до нескольких десятков мм. рт. ст. самостоятельный разряд оказывается практически непригодным для возбуждения больших объемов газа: разряд становится неустойчивым, идет вдоль стенок, не охватывает внутренней области газоразрядной трубки. Во-вторых, необходимость обеспечения оптимального с точки зрения возбуждения нужных колебательных уровней отношения Е/Р требует соответствующего увеличения напряженности поля Е при повышении давления Р. Это, в свою очередь, приводит к увеличению плотности электронной составляющей плазмы разряда. Переизбыток электронов является отрицательным фактором, так как при этом растет эффективность так называемых «тушащих» столкновений (в частности, столкновений, приводящих к девозбуждению верхних и возбуждению нижних рабочих уровней).

5. Электроионизационный метод накачки СО₂-лазера высокого давления.

Проблему повышения давления в газовом лазере позволил решить электроионизационный метод накачки. В таком методе самостоятельный электрический разряд вообще не используется. Для получения быстрых электронов, способных возбуждать активные центры, используют ионизирующее излучение в сочетании с внешним электрическим полем. Ионизирующее излучение создает в активной среде свободные электроны, а электрическое поле ускоряет их. Дальнейшие процессы происходят так же, как и в газоразрядных лазерах.

На создания одного свободного электрона затрачивается порядка нескольких десятков электрон-вольт. Эта энергия берется от ионизирующего излучения. Каждый электрон испытывает порядка 10⁵ столкновений с молекулами активной среды, прежде чем рекомбинирует или уйдет из рабочей области. В результате столкновений электрон передает энергию молекулам порядка 10⁴ эВ, то есть, как можно заметить, на три порядка больше, затраченной на создание электрона. Эта энергия появляется в результате воздействия ускоряющего электрического поля. Таким образом, осуществляется достаточное эффективное прямое преобразование энергии электрического поля в энергию когерентного оптического излучения.

Существенным преимуществом такого метода накачки является то, что нетрудно поддерживать оптимальное значение Е/Р при повышении давления, посокльку концентрация свободных электронов теперь не зависит от напряженности поля Е, а определяется интенсивностью излучения. Данный метод накачки позволяет реализовать давление в рабочей области до 100 атм. В связи с этим появился термин лазер на сжатом газе.

На Рис.7. представлена схема СО₂-лазера с электроионизационным методом накачки. На данном рисунке: 1 – рабочий объем, 2 – зеркала резонатора, 3 – ионизирующее излучение, 4 – верхний электрод, 5 – нижний электрод, 6 – металлическая фольга, прозрачная для быстрых электронов, 7 – лазерное излучение. Нужно заметить, что фольга является уязвимым местом для такого лазера, она разделяет вакуумный объем ускорителя и рабочий объем, находящийся под высоким давлением.

 

Рис. 7. Схема СО₂-лазера с электроионизационным методом накачки

Различием между газоразрядным и электроионизационным методом накачки является то, что теперь быстрые электроны, возбуждающие колебательные степени свободы молекул N₂ и СО₂, образуются теперь не в самостоятельном разряде, а под действием ионизирующего излучения и ускоряющего внешнего электрического поля. То есть функции, ионизации газа и возбуждение активных центров, возложенные на электроны, образовавшиеся в результате самостоятельного разряда, теперь выполняются раздельно – ионизация газа обеспечивается ионизирующим излучением, а электроны обеспечивают лишь возбуждение активных центров. В качестве ионизирующего излучения обычно используют пучок электронов из ускорителя (энергия электронов 100-500 кэВ, плотность тока пучка порядка 10^-4 А/см²).

Увеличение давления газовой смеси, как было сказано выше, приводит к возрастанию мощности лазерного излучения с единицы объема активной среды. На Рис.8 приведен график зависимости мощности лазерного излучения (W) от давления газовой смеси (Р). Экспериментальные точки А относятся к газоразрядному СО₂-лазеру, а точки Б – к электроионизацонному СО₂-лазеру. По сравнению с первым мощность лазерного излучения с единицы объема возрастает в 10⁶ раз.

 

Рис. 8. График зависимости W(P).

Существуют так же и другие виды СО₂-лазеров, отличающихся по своей структуре или методами накачки. Например, лазеры атмосферного давления с поперечной накачкой или газодинамический лазер, где в первом накачка осуществляется за счет поперечного разряда, а во втором за счет быстрого потока газа разогретого до 1400 К. Мы не будем на них останавливаться,
так как физика процессов остается та же.

 

6. Применение СО2-лазеров.

Области применения СО₂-лазеров приведены в таблице на Рис. 9.

 

Рис. 9. Области применения СО₂-лазеров.

Наиболее широкое применение СО₂ лазеров осуществляется в обработке материалов из-за высокого КПД по сравнению с другими лазерами и высокой выходной мощностью. Сварка, резка, обработка поверхностей, маркировка, гравировка, изготовление материалов – все это возможно осуществить с помощью СО₂-лазеров. 

Когда лазерный луч попадает на метал или другой материал, энергия излучения поглощается, и метал, нагревается. В случае сильного поглощения энергии, вещество плавится и испаряется, и эти тепловые процессы можно успешно применять для обработки самых разных материалов. Например, нагревание стали, приводит к тому, что изменяется ее кристаллическая структура и происходит то, что называется закалкой стали. Далее, инициируемое лазерным излучением плавление используется для сварки. При сверлении и резке материалов достигается его локальное испарение. Испарившиеся вещества, можно вновь использовать для нанесения тонких слоев. Это те направления разработок, которые имеют огромное значение, например, в развитии микротехнологий. Если в нанесении покрытий еще проводятся испытания, то резка, сварка и обработка уже в полной мере используется на производствах.

СО₂-лазеры используются, прежде всего, для обработки средних и крупных заготовок. Речь идет при этом о достаточно больших лазерах объемом в несколько кубометров. Пример одного из таких лазеров представлен на Рис. 10. Преимущество по сравнению с другими способами обработки материалов состоят, в том, что здесь можно в листовом металле любые профили. Используя традиционные методы, придется, для каждой операции, изготавливать весьма сложные листовые штампы. На Рис. 11 представлен график скорости сварки в зависимости от толщины листового металла.

 

Рис. 10. СО₂-лазер для обработки материалов.

 

Рис. 11. Скорость сварки в зависимости от толщины листового металла.

 

Рис. 12. Резка лазерным пучком.

 

Рис. 13. Лазерная сварка.

Так же СО₂-лазер нашел широкое применение в медицине. В хирургии, лазер, используется вместо скальпеля, что позволяет проводить более точные разрезы и сложные операции с минимальным риском для пациентов, и так же для затягивания швов. В урологии, лазер используется для дробления камней в почках без риска для пациентов. В дерматологии для удаления раковых образований на коже. Так же лазеры используют в гинекологии, ЛОР, нейрохирургии, пластической хирургии. 

СО₂-лазеры имеют перспективы в исследовании термоядерного синтеза из-за своих преимуществ перед другими лазерами.

Вывод.

Очевидно, что преимущества СО₂-лазеров перед своими «собратьями», дает перспективы в развитии относительно новых областях науки. Позволяет нам осуществлять сложные процессы, например, по нанесению тонкого слоя материала на поверхность. Упрощает работу на производстве и ускоряет ее. Можно предположить, что СО₂-лазеры найдут еще более широкое применение.

Список литературы.

1. Л.В. Тарасов Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1961. – 440с.
2. Ю. Айхлер, Г. И. Айхлер Лазера. Исполнение, управление, применение. М.: Техносфера, 2008. – 440с.
3. Р. Ладенбург Дисперсия в электрически возбужденных газов. Принстон: Phys. Rev.
4. Е.Д. Вовченко, А.П. Кузнецов, А.С. Савёлов Лазерные методы диагностики плазмы. М.: МИФИ, 2008. – 204с.