Ионные газовые лазеры.

1 23

Ионные лазеры примечательны тем, что дают высокоинтенсивное излучение в видимой и ближней УФ областях. В качестве активных частиц здесь выступают ионы инертных газов.

Наиболее типичным представителем (и наиболее применяемым в медицине) является лазер на ионах аргона (Ar⁺). Этот лазер дает самое интенсивное непрерывное излучение в видимом диапазоне из всех известных лазеров. Поскольку излучающими частицами являются ионы, а не нейтральные частицы, для достижения порога генерации требуются высокие плотности тока. Газовый разряд здесь выполняет две задачи: обеспечивает высокую концентрацию ионов, фабрикуя ионы из нейтральных атомов, и возбуждает полученные ионы на нужные энергетические уровни. Упрощенная схема рабочих уровней аргонового лазера представлена на рисунке 8.7.

Эффективность двухступенчатого процесса создания инверсии пропорциональна по крайней мере квадрату тока разряда, поскольку эффективность каждого из процессов (ионизация и возбуждение) пропорциональна самому току. Возбуждение 4p и 4s уровней иона Ar⁺ происходит из основного состояния иона 3p⁵:

Ar + e ® Ar⁺ + 2e; Ar⁺ + e ® (Ar⁺)* + e (8.1)

За возбуждение ответственны столкновения ионов с электронами. Если плотность ионов в основном состоянии N_i, а электронов N_е, то скорость накачки:

L = dN/dt ~ N_i N_e » N_e²(8.2)

Условие N_i » N_е означает нейтральность плазмы в целом. Но, поскольку в стационарном состоянии N_е~I (I – плотность тока), L~I². Полуэмпирическая формула, следующая из этих простых соображений, дает для выходной мощности аргонового лазера:

P/V = 10^-5 J² (8.3)

где Р/V [Вт/см³] — объемная плотность мощности на всех излучающих модах, J — плотность разрядного тока.

Наряду с накачкой верхнего уровня необходимо заботиться об опустошении нижнего. Для ионов аргона соотношение времени жизни рабочих уровней 3p⁴4p и 3p⁴4s неблагоприятно (без внешних факторов нижний уровень является более долгоживущим). Помогает наличие УФ излучения с нижнего уровня с длиной волны около 72 нм. Такой радиационный распад нижнего уровня обеспечивает необходимые условия для инверсии.

Излучение в аргоне получено на 10 линиях перехода между состояниями 4p и 4s, наиболее интенсивными из которых являются линии 514,5 нм (зеленая) и 488,0 нм (синяя). КПД аргонового лазера, ограниченный сверху квантовым пределом ~7% (что следует из схемы уровней), составляет тот же порядок, что и для He-Ne лазера (0,1 – 0,05)%. Оценочно можно считать, что на каждый Вт выходной мощности приходится не менее 1 кВт потребляемой (для отечественных лазеров — не менее 5 кВт).

Для получения высокой плотности тока используются трубки малого диаметра. Разряд в данном случае не является чисто тлеющим, где степень ионизации очень мала, он ближе к дуговому. Высокая концентрация активных частиц дает возможность получать примерно в 1000 раз бóльшие уровни выходной мощности, чем в He-Ne смеси при тех же давлениях и длинах активной среды.

Ионные газовые лазеры были созданы практически одновременно во многих лабораториях, как в СССР, так и в США, в 1963-64 гг., поэтому затруднительно указать приоритетную разработку. Важно отметить, что их появление было предопределено объективными потребностями в получении когерентного излучения большой мощности в видимом диапазоне, причем в непрерывном режиме.

Ввиду больших плотностей тока и малого КПД тепловая нагрузка на активный элемент Ar⁺-лазера оказывается очень большой. Поэтому разработчикам Ar⁺-лазеров приходится сталкиваться с весьма серьезными техническими проблемами. Ионная температура в разряде составляет ~ 3000 К (ее можно с достаточной степенью точности оценить по доплеровской ширине линии лазера, составляющей ~ 3500 МГц). Это означает, что электроды и стенки подвергаются интенсивной бомбардировке тяжелыми ионами и претерпевают в процессе работы внушительную эрозию.

Но разогрев и эрозия — это еще не все беды ионных лазеров. Ввиду большой плотности тока ионы Ar⁺ усиленно диффундируют от анода к катоду, что приводит к появлению продольных градиентов давления, расслоению газа в столбе разряда и срыву разряда вообще. Так что разработчикам аргоновых лазеров поначалу было впору схватиться за голову от обилия технологических проблем.

Тем не менее, к чести инженеров и конструкторов, были найдены весьма остроумные и изящные технические решения, позволившие если не решить, то в значительной мере смягчить эти проблемы.

Так, необходимость максимально эффективного теплоотвода заставила весьма взыскательно отнестись к выбору материала газоразрядных трубок. Традиционный термостойкий материал — плавленый кварц — выдерживает не более 500 часов работы. Значительно лучшие результаты обеспечивают керамические материалы, в частности, бериллиевая керамика (BeO). Активные элементы с разрядными каналами из BeO имеют срок службы до 5 тыс. часов, что сравнимо с неон-гелиевыми лазерами.

Но срок службы удлиняется не только за счет выбора материала. Чтобы уменьшить число столкновений ионов со стенками трубки, ее помещают в продольное магнитное поле — в соленоид, соосный с оптической осью. Сильное магнитное поле не только оберегает стенки трубки, но и увеличивает КПД накачки, заставляя ионы чаще сталкиваться и лучше возбуждаться.

Катофорез (диффузия ионов на катод) компенсируется не менее остроумным способом: газоразрядная трубка снабжается обводным каналом, обеспечивающим циркуляцию газа и тем самым «обманывающим» диффузию: ионы как бы «утаскиваются» из-под катода и перетекают в прианодную область. Правда, здесь сразу же пришлось натолкнуться на неприятность: при поджиге разряд легче зажечь по обводному каналу, а не по рабочему промежутку (диаметр обводного канала значительно больше), что, конечно недопустимо. Поэтому приходится делать обводной канал с длиной, существенно превышающей длину основного канала. Обычно это реализуется в виде спиральной трубки из кварца, окружающей разрядный промежуток. Итак, излучатель аргонового лазера, схематично изображенный на рисунке 8.8, имеет довольно сложную конструкцию.

Наибольшее распространение получили Ar⁺-лазеры непрерывного действия с уровнем выходной мощности от 1 до 20 Вт ( на всех линиях от 451,5 до 514,5 нм). Такой «частокол» линий (10) не всегда удобен, поэтому часто Ar⁺-лазеры снабжаются дисперсионными элементами (призмы, дифракционные решетки). Если говорить о рекордных уровнях мощности Ar⁺-лазеров, то в непрерывном режиме они могут достигать сотен Вт, но в медицине такие монстры не применяются.

Тепловая нагрузка на активный элемент может быть существенно снижена в импульсном режиме, вплоть до отказа от водяного охлаждения. Такие лазеры представляют несомненный интерес для медицины (подробнее об этом в разделе 4). Однако в импульсном режиме для аргоновых лазеров мощную конкуренцию составляют лазеры на твердом теле, работающие на второй гармонике, а также волоконные лазеры, существенно превосходящие и те, и другие по большинству эксплуатационных характеристик.

ЛИТЕРАТУРА к лекции 8.

1. Н.В. Карлов. «Лекции по квантовой электронике».

2. У. Беннет. Газовые лазеры (обзор).

3. O. Звелто. «Принципы лазеров».