Газовые лазеры на нейтральных атомах.


Лазер на смеси благородных газов гелия (Не) и неона (Ne) был одним из первых, реализованных в виде коммерческого продукта. В таких лазерах рабочими являются переходы между энергетическими переходами Ne, то есть логично было бы назвать его неон-гелиевым, однако повсеместно утвердилось название гелий-неоновый. Широкое распространение, особенно на заре «лазерной эры», эти лазеры получили благодаря своей относительной дешевизне, малому энергопотреблению, простой возможности получения действительно одномодового режима, то есть низшей поперечной моды и одной частоты генерации. Последнее свойство оказалось весьма важным для создания лазерных гироскопов. Немалую роль сыграло то, что излучение гелий-неонового лазера красного диапазона (0,6328 мкм) оказалось идеальным инструментом для юстировки лазерных резонаторов и основой для широко используемых измерительных приборов ― лазерных уровней, теодолитов, дальномеров и т.п. Именно с помощью излучения 0,6328 мкм было обнаружено биостимулирующее действие лазерного излучения, вылившееся в целое направление в медицине ― низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ), в последнее время часто называемое лазерная биостимуляция.Кроме этого гелий-неоновые лазеры используются в приборах медицинской диагностики ― допплеровских измерителях кровотока, всевозможных анализаторах размера, концентрации и деформации биологических объектов. Эти применения будут рассмотрены позднее в рамках данного курса.

В настоящее время их в значительной степени вытеснили полупроводниковые лазеры, излучающие в этом диапазоне. За гелий-неоновыми лазерами остались применения, в которых требуется высокая пространственная и временная когерентность излучения.

 
 

Рабочим веществом в этом лазере являются нейтральные атомы неона. Для возбуждения используются столкновения с электронами в плазме газового разряда. В данном случае используется тлеющий разряд, в котором плотность тока невелика, и, соответственно, степень ионизации плазмы — тоже. Слабоионизованная плазма тлеющего разряда — характерный пример термодинамически неравновесной среды, которую можно представить себе как смесь электронов, ионов и нейтральных атомов, причем из-за малой концентрации заряженных частиц столкновениями нейтральных атомов с ионами можно пренебречь (ионы между столкновениями хотя и разгоняются, но этого недостаточно для того, чтобы «испортить» термодинамическое равновесие, поскольку сталкиваются, в основном, с нейтральными атомами одинаковой с ними массы), а вот электроны, из-за большой разницы масс, между столкновениями разгоняются очень сильно, и их температура оказывается гораздо выше температуры тяжелых частиц. Столкновения с электронами легко возбуждают атомы неона практически на все возможные уровни, но для создания инверсии одного возбуждения мало. Рассмотрим упрощенную схему уровней неона (см. рис. 8.1).

Из основного состояния Е1 атомы неона соударением с электронами возбуждаются на уровни от Е2 до Е5. Уровни Е4 и Е5 метастабильны, т.е. их время жизни из-за правил запрета и других причин на несколько порядков превышает время жизни уровня Е3. Казалось бы, предпосылки для создания инверсии между Е4, Е5 и Е3 налицо. Однако, заселенный нижележащий уровень Е2 не дает опустошаться Е3, и, в итоге, инверсию в чистом неоне создать очень трудно. Помогает добавка гелия, поскольку энергия метастабильных уровней F2 и F3 близка к Е4 и Е5. Столкновения с атомами гелия создают избыточную заселенность уровней Е4 и Е5 за счет резонансной передачи возбуждения:

 
 

He* + Ne ® Ne* + He* + Екин

 

Очевидно, что для создания стационарной инверсии столкновения неона с гелием должны происходить достаточно часто. Поэтому в газоразрядной трубке парциальное давление гелия обычно значительно (на порядок и более) превышает парциальное давление неона. Дополнительный эффект приносят столкновения атомов неона со стенками трубки, опустошающие уровень Е3.

Итак, за создание инверсии ответственны три процесса в плазме газового разряда: столкновения с электронами, столкновения со стенками трубки и столкновения с возбужденными атомами гелия. Последний из перечисленных процессов является, в данном случае, преобладающим. Подчеркнем, что такой способ создания инверсии с помощью использования буферного газа, не участвующего в процессе вынужденного излучения, но зато легко возбуждаемого, получил в лазерной технике широкое распространение.

Обычно для изображения рабочих уровней атомов газов используются обозначения Пашена (рис. 8.2):


 

Нижним из возбужденных состояний гелия 23S1 и 23S0 соответствуют энергии 19,82 эВ и 20,6 эВ. Оптические переходы из этих состояний в основное 1S0 запрещены. Поэтому состояния 21S0 и 23S1 метастабильны с временами жизни 10-3 сек. Уровни неона 3s и 2s близки к 21S0 и 23S1. При столкновениях с гелием активно заселяются состояния 3s и 2s, обеспечивая инверсию по отношению к состояниям 3p и 2p. Наиболее часто для генерации используются переходы 3s22p4 ( l = 632,8 нм); 3s23p4 (l = 3391,3 нм); 2s2 – 2p4 (l = 1152,3 нм). Оптимальная плотность тока разряда для создания инверсии составляет 100–200 мА/см2, причем электронная температура определяется величиной произведения давления газа р на внутренний диаметр трубки D. При малых рD электронная температура велика. Обычно выбирают давление 1 - 3 Торр, диаметр трубки 2 – 5 мм, рабочий ток от 10 до 50 мА. Неон-гелиевые лазеры можно делать с внутренними зеркалами (монолитная конструкция с запаянными в трубку зеркалами). Такая конструкция отличается наименьшими потерями (между зеркалами ничего нет, кроме активной среды). Поэтому лазер с внутренними зеркалами имеет чрезвычайно низкий порог самовозбуждения, простоту и надежность конструкции и высокую кратковременную стабильность. Однако контакт покрытий зеркал с плазмой разряда приводит к относительно быстрому разрушению покрытия, поэтому лазер с внутренними зеркалами получил весьма ограниченное распространение. Наибольшим успехом пользуется конструкция лазера, в которой газоразрядная трубка снабжается окнами, расположенными под углом Брюстера
 
 

к оптической оси (рис. 8.3).

 

Благодаря брюстеровским окнам излучение заданного направления поляризации проходит внутрирезонаторный промежуток с наименьшими потерями. Все остальные направления поляризации оказываются в подпороговом режиме. В итоге вся инверсия сбрасывается в избранную поляризацию, и выходное излучение оказывается в очень высокой степени поляризованным. Вдобавок достигается максимальный срок службы газоразрядной трубки и зеркал, облегчается юстировка, возможности смены зеркал, в том числе для генерации на разных длинах волн, появляется возможность управления резонатором (перестройка частоты, селекция мод, модуляция и т.д.).

Для медицинских целей наиболее употребительной является длина волны 632,8 нм (красный диапазон). Это связано с тем, что с самых первых опытов было обнаружено биостимулирующее действие этого излучения, благотворно влияющего на процессы регенерации тканей при лечении язв, ран, ожогов и прочих патологий, обычно требующих длительного и не гарантирующего успеха лечения. Лазер на длине волны 632,8 нм довольно капризен в работе из-за того, что усиление на этом переходе невелико (несколько процентов с метра активной среды). Поэтому приходится делать зеркала с очень высокими коэффициентами отражения, соответственно превращая юстировку в кропотливый и требующий большой квалификации процесс. Другой особенностью этого типа лазера является неоднородное уширение линии рабочего перехода (см. Л4). Действительно, используя формулу (4.16), получим, что для Т = 400К, Dnд » 1500 МГц, в то время как естественная ширина линии Dno составляет ~ 20 МГц, а столкновительная дает добавку к естественной в виде Dn /Dр » 75 МГц/Торр. При давлениях 1–3 Торр Dnд >> Dnст, поэтому за ширину линии рабочего перехода в основном в ответе эффект Допплера. Это означает, что при длинах резонатора в несколько десятков сантиметров (с/2l » 150 МГц/м) на доплеровском контуре помещаются несколько резонаторных мод, причем за счет неоднородности уширения все они могут генерироваться одновременно. Чтобы лазер работал в одномодовом режиме, приходится брать короткие резонаторы (не более 15 см), а это вынуждает ограничиваться малыми длинами активной среды. Поэтому одномодовый режим дает выходную мощность, существенно меньшую, чем многомодовый. Максимальные величины выходной мощности для промышленно выпускаемых лазеров составляют до 5 мВт в одномодовом и до 50 мВт в многомодовом режимах.

Следует отметить, что зачастую под термином одномодовый некорректно понимают лазер, работающий в низшем поперечном типе колебаний безотносительно к частотному спектру лазера, а действительно одномодовые лазеры (одна поперечная мода и одна частота генерации) называют одночастотными.

Потребляемая от сети мощность не менее 10 Вт на каждый мВт выходной мощности (обычно больше). Малый КПД гелий-неоновых лазеров связан, с одной стороны, с большим расстоянием между нижним лазерным уровнем и основным состоянием (квантовая эффективность, или квантовый предел для перехода 3s22p4 составляет ~ 8 %), с другой стороны, относительной сложностью механизма создания инверсии, из-за чего для возбуждения верхнего рабочего уровня приходится использовать лишь небольшую часть энергии накачки. Поэтому реальный КПД для He-Ne лазеров выражается цифрой (0,01–0,1) % [1,2].

Маломощность и другие недостатки газовых лазеров на нейтральных атомах существенно сузили сегодня их сферу практических применений. Однако уникальные свойства их излучения с точки зрения наивысшей из достигнутых степени пространственной и временной когерентности делают этот тип лазеров измерительным средством исключительной прецизионности [3]. Следовательно, применение газовых лазеров в диагностике, на сегодня реализованное в ничтожной степени, обрисовывает для них гигантские перспективы.

Поскольку все лазерные диагностические приборы априори относятся к средствам измерения, на роли газовых лазеров в измерительной технике следует остановиться подробнее.

Для каждого вида измерений существует цепь передачи размеров единиц, или поверочная схема, возглавляемая первичным эталоном. Качество первичного эталона в конечном счете определяет точность и единство измерений выбранной величины и тем самым определяет уровень науки и техники, поскольку, как выразился основоположник отечественной метрологии Д.И. Менделеев, «наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука невозможна без меры».

Чаще других физических величин приходится измерять длину. Пресловутый эталон метра, хранящийся в Международном Бюро мер и весов, перестал удовлетворять требованиям точности и стабильности еще в конце ХIХ века, поскольку наряду с колебаниями параметров окружающей среды на его длину влияла еще и практически неконтролируемая перекристаллизация материала. Уже тогда в качестве эталона длины была предложена оптическая единица, пришедшая из интерферометрии (сначала это была длина волны изотопа кадмия-114, затем криптона-86). Оптические эталоны длины, в отличие от платино-иридиевых болванок, не старели и практически не зависели от внешних факторов (температуры, влажности, давления и т.п.). Однако тормозом для повышения точности (для криптона погрешность измерения метра составила около 0,01 мкм) стали малая длина когерентности и низкая интенсивность излучения, существенно ограничивавшие возможности автоматизации измерений.

Настоящую революцию в измерениях вызвало появление лазеров. Практически сразу, как только появились сообщения об измерении стабильности частоты гелий-неоновых лазеров, возник вопрос о пересмотре эталона длины. Методы стабилизации частоты, сначала по лэмбовскому провалу (см. Л4), затем по линиям поглощения открыли возможности повышения точности и воспроизводимости частоты сразу на много порядков. Выдающуюся роль в таком «прорыве» сыграли работы В.С. Летохова и В.П. Чеботаева [4], результаты которых сразу же были подхвачены во всем мире. В конце 60-х годов минувшего века обозначились два типа лазеров, стабилизированных по нелинейному поглощению, и оба работали на смеси неона с гелием. Именно, для стабилизации частоты на длине волны 632,8 нм использовался йод, а на длине волны 3391,3 нм ― метан. Поскольку для медицины наиболее важен лазер видимого диапазона, остановимся на первом типе.

Первый атлас линий поглощения молекулы йода появился в 1985 г. Длины волн в нем были определены с точностью до шестого знака. Однако при этом не были указаны характерные интенсивности линий и способы их идентификации, что совершенно недостаточно для определения возможностей стабилизации частоты лазера, поскольку для этого необходима стабильность и воспроизводимость не менее, чем в восьмом знаке. Как это часто бывает, обстоятельное исследование режимов работы лазера с йодной поглощающей ячейкой значительно (примерно на 10 лет) отстало от первых сообщений о создании Не-Ne лазеров, стабилизированных по поглощению в йоде.

Важнейший элемент He-Ne/J2-лазера ― оптический дискриминатор, роль которого исполняет поглощающая ячейка. В рассматриваемом случае она, как правило, помещается внутри резонатора. Для эффективной работы лазера необходимо, чтобы, с одной стороны, длина резонатора была достаточно мала для обеспечения одночастотного режима во всей зоне генерации, с другой ― мощность была достаточна для насыщения поглощения в парах йода. Эти требования противоречивы, поэтому выбор параметров лазера должен быть строго оптимизирован. Подробное изложение принципов работы He-Ne/J2-лазера можно найти в ряде книг и обзоров (см.[5]).

Для определения погрешности воспроизведения длины волны Международное Бюро мер и весов с 1974 г. проводило сличения стабильности лазеров, изготовленных в разных странах. Набранная за 70-е годы статистика позволила установить, что He-Ne/J2-лазеры воспроизводят длину волны с меньшей погрешностью, чем прежний эталонный источник на основе криптона-86. В итоге с 1983 г. определение эталона метра было принято по измерениям длины волны He-Ne/J2-лазера. Относительная погрешность ее воспроизведения была установлена 8•10-12.

За прошедшие почти четверть века эта погрешность еще улучшена, и сегодня она составляет 1÷2•10-12. Отечественные разработчики создали He-Ne/J2-лазер новой модели «Стандарт» без девиации частоты, ширина линии излучения которого на 2 порядка меньше, чем у предыдущих моделей [6]. Лазеры этого типа являются надежными, долговечными и достаточно экономичными по сравнению с другими эталонными лазерами. Возможно, дальнейшие исследования позволят еще улучшить его метрологические характеристики. Это открывает новые перспективы для лазерной диагностики, обрисовывая практически неограниченные возможности извлечения информации о процессах в биообъектах на молекулярном уровне.



Дата добавления: 2017-01-26; просмотров: 1916;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.013 сек.