Das Gasentladungsrohr ist in einem optischen Resonator angeordnet, der durch Spiegel mit einer Interferenzbeschichtung gebildet wird. Die Spiegel sind in Flanschen befestigt, deren Konstruktion es erlaubt, die Spiegel während der Einstellung durch Drehen der Justierschrauben in zwei zueinander senkrechten Ebenen zu drehen. Die Anregung des Gasgemisches erfolgt durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung von der Stromversorgung an die Elektroden. Das Netzteil ist ein Hochfrequenzgenerator, der mit mehreren zehn Watt elektromagnetische Schwingungen mit einer Frequenz von 30 MHz erzeugt.

Die Stromversorgung von Gaslasern mit Gleichstrom bei einer Spannung von 1000 ... 2000 V, die mit stabilisierten Gleichrichtern erzielt wird, ist weit verbreitet. In diesem Fall ist die Gasentladungsröhre beheizt und Kaltkathode und Anode. Zum Zünden der Entladung in der Röhre wird eine Elektrode verwendet, an die eine gepulste Spannung von etwa 12 kV angelegt wird. Diese Spannung wird durch Entladen eines Kondensators mit einer Kapazität von 1 ... 2 Mikrofarad über die Primärwicklung eines Impulstransformators erhalten.

Der Vorteil von Helium-Neon-Lasern ist die Kohärenz ihrer Strahlung, geringer Stromverbrauch (8...10 W) und kleine Größe. Die Hauptnachteile sind ein geringer Wirkungsgrad (0,01 ... 0,1%) und eine geringe Ausgangsleistung von nicht mehr als 60 mW. Diese Laser können gepulst arbeiten, wenn zur Anregung eine gepulste Spannung hoher Amplitude mit einer Dauer von wenigen Mikrosekunden verwendet wird. Die Hauptgebiete der praktischen Anwendung von Helium-Neon-Lasern sind die wissenschaftliche Forschung und die Messtechnik.

Von den Ionenlasern ist der CW-Argonlaser bei einer Wellenlänge von 0,48 &mgr;m der am weitesten verbreitete geworden. Argonionen werden in der Zelle als Ergebnis der Ionisierung von neutralen Ag II -Atomen durch einen hochdichten Strom (~10 3 A/cm 3 ) gebildet.

Die Besetzungsinversion in einem solchen Laser zwischen dem oberen (4 P) und niedrigere (4s) Arbeitsebenen entstehen auf diese Weise. Level 4 P, die im Vergleich zum 4s-Niveau eine längere Lebensdauer haben, werden durch Kollisionen mit schnellen Elektronen in einer Gasentladung durch Übergänge angeregter Ionen aus der Gruppe der über 5 liegenden Niveaus mit Argon-Ionen besiedelt P. Gleichzeitig Stufe 5 P, das eine sehr kurze Lebensdauer hat, wird aufgrund der Rückkehr von Ionen in den Grundzustand schnell erschöpft. Seit Level 5 P, 5s, 4 P bestehen aus Gruppen von Unterebenen, die Erzeugung kann gleichzeitig bei mehreren Wellenlängen erfolgen: von 0,45 bis 0,515.

Argonionenlaser sind derzeit die leistungsstärksten Quellen für kontinuierliche kohärente Strahlung im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich. Hochleistungs-Argonlaser werden durch ihre hohen Kosten, Komplexität, geringen Wirkungsgrad (~ 0,1 %) und hohen Stromverbrauch (3–5 kW) behindert.

KURZER GESCHICHTLICHER ÜBERBLICK

Die ersten Berechnungen zur Möglichkeit der Herstellung von Lasern und die ersten Patente betrafen hauptsächlich Gaslaser, da hier die Energieniveauschemata und Anregungsbedingungen verständlicher sind als bei Substanzen im Festkörper. Der Rubinlaser war jedoch der erste, der entdeckt wurde, obwohl bald ein Gaslaser geschaffen wurde. Ende 1960 schufen Javan, Bennett und Herriott einen Helium-Neon-Laser, der im Infrarotbereich auf mehreren Linien im Bereich von 1 μm arbeitet. In den nächsten zwei Jahren wurde der Helium-Neon-Laser verbessert und andere Infrarot-Gaslaser entdeckt, einschließlich Laser, die andere Edelgase und atomaren Sauerstoff verwenden. Das größte Interesse an Gaslasern wurde jedoch durch die Entdeckung der Erzeugung eines Helium-Neon-Lasers auf der roten Linie 6328 A unter Bedingungen verursacht, die sich nur geringfügig von den Bedingungen unterschieden, unter denen die Erzeugung im ersten Gaslaser erzielt wurde. Die Erzeugung im sichtbaren Bereich des Spektrums weckte nicht nur das Interesse an der Suche nach zusätzlichen Übergängen dieser Art, sondern auch an Laseranwendungen, da viele neue und unerwartete Phänomene entdeckt wurden und der Laserstrahl neue Anwendungen als Laborwerkzeug erhielt. Die zwei Jahre nach der Entdeckung der Generation auf der Linie 6328 A waren voll von vielen technischen Verbesserungen, die hauptsächlich darauf abzielten, eine größere Leistung und eine größere Kompaktheit dieses Lasertyps zu erreichen. In der Zwischenzeit wurde die Suche nach neuen Wellenlängen fortgesetzt und viele Infrarot- und mehrere neue Übergänge im sichtbaren Bereich entdeckt. Die wichtigste davon ist die Entdeckung von gepulsten Laserübergängen in molekularem Stickstoff und Kohlenmonoxid durch Matthias.

Der nächste wichtigste Schritt in der Entwicklung von Lasern war offenbar Bells Entdeckung Ende 1963. Quecksilberionenlaser. Obwohl der Quecksilberionenlaser selbst die anfänglichen Hoffnungen auf hohe Leistungen im cw-Modus im roten und grünen Bereich des Spektrums nicht rechtfertigte, zeigte diese Entdeckung neue Entladungsregime auf, in denen Laserübergänge im sichtbaren Bereich des Spektrums nachgewiesen werden konnten . Auch bei anderen Ionen wurde nach solchen Übergängen gesucht. Es wurde bald entdeckt, dass Argonionen die beste Quelle für Laserübergänge mit hoher Leistung im sichtbaren Bereich sind und dass mit ihnen cw-Lasern erzielt werden kann. Als Ergebnis weiterer Verbesserungen des CW-Argonlasers wurde die höchstmögliche Leistung im sichtbaren Bereich erreicht. Als Ergebnis der Suche wurde eine Generation an 200 Ionenübergängen entdeckt, die hauptsächlich im sichtbaren sowie im ultravioletten Teil des Spektrums konzentriert sind. Solche Suchen sind offenbar noch nicht beendet; Zeitschriften für angewandte Physik und Fachzeitschriften berichten häufig über die Erzeugung bei neuen Wellenlängen,

In der Zwischenzeit breiteten sich die technischen Verbesserungen bei Lasern schnell aus, wodurch viele der "Hexerei" -Tricks der ersten Konstruktionen von Helium-Neon- und anderen Gaslasern verschwanden. Die von Bennett begonnene Erforschung solcher Laser wurde fortgesetzt, bis der Helium-Neon-Laser entwickelt wurde, der auf einen gewöhnlichen Tisch gestellt werden kann, mit der vollen Gewissheit, dass der Laser wie erwartet funktionieren wird, als er entwickelt wurde. Der Argonionenlaser wurde ebenfalls nicht untersucht; Eine große Anzahl von Originalarbeiten von Gordon Bridges ermöglicht es jedoch, die möglichen Parameter eines solchen Lasers in vernünftigen Grenzen vorherzusehen.

Im vergangenen Jahr sind eine Reihe interessanter Artikel über Gaslaser erschienen, aber es ist noch zu früh, um ihren relativen Wert zu bestimmen. Zu jedermanns Überraschung war die wichtigste Errungenschaft Peitels Entdeckung der stimulierten Emission in CO2 im 1,6-Mikron-Band mit hoher Effizienz. Die Ausgangsleistung dieser Laser kann auf Hunderte von Watt gesteigert werden, was die Erschließung eines ganz neuen Feldes von Laseranwendungen verspricht.
Liste der verwendeten Literatur:

Enzyklopädisches Wörterbuch eines jungen Physikers (Chefredakteur Migdal A.B.)

Moskau "Pädagogik" 1991

N.M. Shakhmaev, S.N. Shakhmaev, D.Sh. Chodiev „Physik 11“

Moskau „Aufklärung“, 1993

O.F.Kabardin „Physik“ Moskau „Aufklärung“ 1988

„Gaslaser“ (unter der Redaktion von N. N. Sobolev) Moskau „Mir“ 1968

„Grundlagen der Lasertechnik“ Baiborodin Yu, V. 2. Aufl., K.: 1988, 383p.

Die Besetzungsinversion in Lasern wird auf unterschiedliche Weise erzeugt. Am häufigsten werden dafür Lichteinstrahlung (optisches Pumpen), elektrische Entladung, elektrischer Strom und chemische Reaktionen verwendet.

Um vom Verstärkungsmodus in den Lichterzeugungsmodus umzuschalten, verwendet der Laser wie jeder Generator eine Rückkopplung. Die Rückkopplung im Laser erfolgt über einen optischen Resonator, der im einfachsten Fall aus einem Paar paralleler Spiegel besteht.

Schematische Darstellung des Lasers ist in Abb. 1 dargestellt. 6. Es enthält ein aktives Element, einen Resonator und eine Pumpquelle.

Der Laser funktioniert wie folgt. Erstens erzeugt eine Pumpquelle (z. B. eine leistungsstarke Blitzlampe), die auf die Arbeitssubstanz (aktives Element) des Lasers einwirkt, darin eine Besetzungsinversion. Dann beginnt das invertierte Medium spontan Lichtquanten auszusenden. Unter der Wirkung der spontanen Emission beginnt der Prozess der stimulierten Lichtemission. Aufgrund der Besetzungsinversion hat dieser Vorgang einen lawinenartigen Charakter und führt zu einer exponentiellen Lichtverstärkung. Lichtströme, die sich in seitliche Richtungen ausbreiten, verlassen das aktive Element schnell, ohne Zeit zu haben, signifikante Energie zu gewinnen. Gleichzeitig passiert eine Lichtwelle, die sich entlang der Achse des Resonators ausbreitet, wiederholt das aktive Element und gewinnt kontinuierlich Energie. Aufgrund der teilweisen Lichtübertragung durch einen der Resonatorspiegel wird die Strahlung nach außen abgegeben und bildet einen Laserstrahl.

Abb.6. Schematische Darstellung des Lasers. 1 - aktives Element; 2- Pumpsystem;

3- optischer Resonator; 4 - erzeugte Strahlung.

§5. Das Gerät und die Funktionsweise eines Helium-Neon-Lasers

Abb.7. Schematische Darstellung eines Helium-Neon-Lasers.

1). Der Laser besteht aus einem Gasentladungsrohr T mit einer Länge von mehreren zehn cm bis 1,5–2 m und einem Innendurchmesser von 7–10 mm. Die Röhre ist mit einer Mischung aus Helium (Druck ~1 mmHg) und Neon (Druck ~0,1 mmHg) gefüllt. Die Enden des Rohres sind mit planparallelen Glas- oder Quarzplatten P 1 und P 2 verschlossen, die im Brewster-Winkel zu seiner Achse eingebaut sind. Dadurch entsteht eine lineare Polarisation der Laserstrahlung mit einem elektrischen Vektor parallel zur Einfallsebene. Die Spiegel S 1 und S 2 , zwischen denen die Röhre angeordnet ist, sind üblicherweise sphärisch mit dielektrischen Mehrschichtbeschichtungen hergestellt. Sie haben ein hohes Reflexionsvermögen und absorbieren praktisch kein Licht. Der Transmissionsgrad eines Spiegels, durch den die Laserstrahlung überwiegend austritt, beträgt üblicherweise 2 %, der eines anderen Spiegels weniger als 1 %. Zwischen den Elektroden der Röhre wird eine konstante Spannung von 1-2 kV angelegt. Die Kathode K der Röhre kann kalt sein, zur Erhöhung des Entladestroms werden aber auch Röhren mit hohlzylindrischer Anode verwendet, deren Kathode durch eine Niederspannungsstromquelle beheizt wird. Der Entladestrom in der Röhre beträgt mehrere zehn Milliampere. Der Laser erzeugt rotes Licht mit einer Wellenlänge von =632,8 nm und kann auch Infrarotstrahlung mit Wellenlängen von 1,15 und 3,39 µm erzeugen (siehe Abb. 2). Dann sind aber für infrarotes Licht durchlässige Endfenster und Spiegel mit hohen Reflexionskoeffizienten im infraroten Bereich erforderlich.

2). In Lasern wird stimulierte Emission verwendet, um kohärente Lichtwellen zu erzeugen. Die Idee dazu wurde erstmals 1957 von A.M. Prochorow, N.G. Basov und unabhängig davon Ch. Towns. Um den Wirkstoff des Lasers in einen Erzeuger von Lichtschwingungen zu verwandeln, ist eine Rückkopplung notwendig. Dies bedeutet, dass ein Teil des emittierten Lichts immer wieder in die Zone des Wirkstoffs zurückkehren muss und eine stimulierte Emission von immer mehr neuen Atomen bewirkt. Dazu wird der Wirkstoff zwischen zwei Spiegel S 1 und S 2 (siehe Abb. 7), die Rückkopplungselemente sind, eingebracht. Ein Lichtstrahl, der mehrfach von den Spiegeln S 1 und S 2 reflektiert wird, durchläuft den Wirkstoff viele Male, während er durch erzwungene Übergänge von einem höheren Energieniveau " 3 zu einem niedrigeren Niveau  " 1 verstärkt wird. Dadurch entsteht ein offener Resonator, bei dem die Spiegel für einen mehrfachen Durchgang (und damit eine Verstärkung) des Lichtflusses im aktiven Medium sorgen. Bei einem echten Laser muss ein Teil des Lichts aus dem aktiven Medium nach außen emittiert werden, um genutzt zu werden. Dazu wird einer der Spiegel, beispielsweise S2, durchscheinend gemacht.

Ein solcher Resonator wird das Licht nicht nur verstärken, sondern auch kollimieren und monochromatisieren. Der Einfachheit halber nehmen wir zunächst an, dass die Spiegel S 1 und S 2 ideal sind. Dann durchqueren die Strahlen parallel zur Achse des Zylinders den Wirkstoff unbegrenzt oft hin und her. Schräge Strahlen treffen jedoch schließlich auf die Seitenwand des Zylinders, wo sie sich auflösen oder entweichen. Es ist daher klar, dass Strahlen, die sich parallel zur Achse des Zylinders ausbreiten, maximal verstärkt werden. Dies erklärt die Kollimation von Strahlen. Natürlich können streng parallele Strahlen nicht erhalten werden. Dies wird durch die Lichtbeugung verhindert. Der Divergenzwinkel der Strahlen kann grundsätzlich nicht kleiner als die Beugungsgrenze sein  D, Wo D- Balkenbreite. Bei den besten Gaslasern wird diese Grenze jedoch praktisch erreicht.

Lassen Sie uns nun erklären, wie die Monochromatisierung von Licht erfolgt. Lassen Z ist die optische Weglänge zwischen den Spiegeln. Wenn 2 Z= M, also von der Länge Z zu einer ganzzahligen Anzahl von Halbwellen m passt, dann kehrt die Lichtwelle, die S 1 verlässt, nach dem Hin- und Herlaufen in der gleichen Phase zu S 1 zurück. Eine solche Welle verstärkt sich während des zweiten und aller folgenden Passagen durch den Wirkstoff in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. nächste Wellenlänge  , für die die gleiche Verstärkung auftreten sollte, kann der Bedingung entnommen werden 2 Z=(M1)( ). Somit,  = / M, also  fällt erwartungsgemäß mit dem Spektralbereich der Fabry-Perot-Interferometer zusammen. Berücksichtigen wir nun, dass die Energieniveaus " 3 und  " 1 und die beim Übergang zwischen ihnen auftretenden Spektrallinien nicht unendlich dünn sind, sondern eine endliche Breite haben. Nehmen wir an, dass die Breite der von Atomen emittierten Spektrallinie kleiner ist als der disperse Bereich des Geräts. Dann, von allen Wellenlängen, die von Atomen emittiert werden, die Bedingung 2 Z= M kann nur eine Wellenlänge befriedigen . Eine solche Welle wird sich so weit wie möglich verstärken. Dies führt zu einer Verschmälerung der vom Laser erzeugten Spektrallinien, also zur Monochromatisierung von Licht.

Die Haupteigenschaften eines Laserlichtstrahls:

    Einfarbigkeit;

    räumliche und zeitliche Kohärenz;

    Hohe Intensität;

    Abblendlicht Divergenz.

Aufgrund seiner hohen Kohärenz dient der Helium-Neon-Laser als hervorragende Quelle kontinuierlicher monochromatischer Strahlung zur Untersuchung aller Arten von Interferenz- und Beugungsphänomenen, deren Umsetzung mit herkömmlichen Lichtquellen den Einsatz spezieller Geräte erfordert.

Ionenlaser

Ionenlaser sind eine Art Gaslaser, bei denen die obere Ebene durch zwei aufeinanderfolgende Stöße mit Elektronen in einer elektrischen Entladung (Ionisation + Anregung) besiedelt wird. Ionenenergien sind höher als atomare, daher erzeugen Ionenlaser im sichtbaren und im UV-Bereich des Spektrums.

Aufgrund der hohen Stromdichte im Entladungsrohr können Ionen zur Kathode gepumpt werden, daher ist eine zusätzliche Bypass-Kappe erforderlich. Damit die Röhre beim Beschuss mit schnellen Ionen nicht zerstört wird, besteht sie aus Keramik und wird in ein von einem Solenoid erzeugtes Längsmagnetfeld gebracht. Radial bewegte geladene Teilchen erfahren die ablenkende Wirkung der Lorentz-Kraft, wodurch ihre Bahnen gebogen werden, wodurch die Geschwindigkeit der Ladungsdiffusion zu den Wänden verringert wird. Als Beispiel kann ein Argonlaser dienen, der im sichtbaren Bereich auf den Linien l 1 = 488 nm (blau) und l 2 = 514,5 nm (grün) erzeugt.

Beim Entwerfen von Übertragungsgeräten für optische Kommunikationssysteme sieht sich ein Ingenieur unweigerlich mit der Notwendigkeit konfrontiert, eine Strahlungsquelle auszuwählen - einen optischen Quantengenerator. Die Wahl des Generators hängt von den spezifischen Bedingungen der Anwendung des Kommunikationssystems ab: seinem Standort (terrestrisch oder im Weltraum, mobile oder stationäre Optionen), Betriebsspektralbereich, gepulster oder kontinuierlicher Modus, erforderliche Ausgangsleistung, erforderliche Strahldivergenz und Frequenzstabilität B. Sendereffizienz, Generatorressource und -lebensdauer, Systemservice, Modulations- und Empfangsarten, Notwendigkeit der Berücksichtigung der Atmosphäre usw. Jeder dieser Faktoren muss berücksichtigt werden. Aus den allgemeinsten Überlegungen können die folgenden Empfehlungen gemacht werden .

Gaslaser haben eine hohe Monochromatizität und Frequenzstabilität sowie einen kleinen Strahldivergenzwinkel; Sie können sowohl im kontinuierlichen als auch im gepulsten Modus mit hohen Wiederholungsraten betrieben werden. Die Nachteile von gasbefeuerten Lasern sind ein geringer Wirkungsgrad (ausgenommen Kohlendioxidlaser) und relativ große Abmessungen. Festkörperlaser zeichnen sich durch eine hohe Pulsleistung und die Fähigkeit aus, Pulse von sehr kurzer Dauer zu erhalten. Ihre inhärenten Nachteile – geringe Effizienz und die Schwierigkeit, einen kontinuierlichen Betriebsmodus zu implementieren – schränken jedoch bis zu einem gewissen Grad ihre Verwendung in Kommunikationssystemen ein. Halbleiterlaser haben einen hohen Wirkungsgrad, kleine Abmessungen und die Möglichkeit der direkten Modulation durch den Pumpstrom. Ein sehr breiter Bereich des Ausgangssignals und ein großer Strahldivergenzwinkel verhindern jedoch eine breite Anwendung in optischen Kommunikationssystemen.

Am besten geeignet für breitbandige optische Kommunikationssysteme sind Helium-Neon-Laser, Argon-Ionen-Laser, YAG:Nd 3+ (im Hauptmodus oder Frequenzverdopplung) und Kohlendioxid-Laser. In Kommunikationssystemen mit einer Leistung von weniger als 100 mW, für die die Abmessungen des Lasers und ein geringer Wirkungsgrad keine einschränkenden Faktoren sind, sind Helium-Neon-Laser akzeptabel, die gute spektrale Eigenschaften, eine geringe Strahldivergenz und eine lange Lebensdauer aufweisen. In Kommunikationssystemen mit einer Ausgangsleistung von mehr als 100 mW gelten Argon-Ionen-Laser, YAG: Nd 3+ und CO 2 als am besten geeignet. Die ersten beiden OCGs können, obwohl sie einen geringen Wirkungsgrad haben, effektiv in Mehrkanal-Kommunikationssystemen mit erhöhter Bandbreite verwendet werden, die im Pulscodemodulationsmodus arbeiten. Dazu müssen Laser im modengekoppelten Modus emittieren. Das Haupthindernis für die weit verbreitete Verwendung von Kohlendioxidlasern, die einen hohen Wirkungsgrad haben und das erforderliche Ausgangsleistungsniveau bereitstellen, ist die Notwendigkeit, gekühlte Breitband-Fotodetektoren zum Empfangen von Strahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 μm zu entwickeln. Diese Hürde wird derzeit erfolgreich überwunden.

  • nach Art des aktiven Mediums:

Ö fester Zustand;

Ö Gas;

Ö flüssig;

Ö Halbleiter;

Ö Plasma.

  • nach Pumpart:

Arten des Pumpens:

o optisch;

o elektrische Entladung in Gasen;

o Elektroionisierung;

o thermisch (gasdynamisch);

o Chemikalie.

2. Festkörperlaser.

Festkörperlaser sind Laser, die ein kristallines oder amorphes Dielektrikum verwenden.

Hauptmerkmale von Festkörperlasern:

  • hohe Partikelkonzentration: bis zu 10 19 und sogar bis zu 10 21 cm -3 ;
  • hohe spezifische Energieabgabe;
  • Generation bei kleinen Längen;
  • optische Homogenität (unterlegen gegenüber Gaslasern);
  • Lumineszenzlinienbreite (A°-Einheiten – Zehner von A°),
  • Die Hauptart des Pumpens ist das optische Pumpen.

Aktives Medium von Festkörperlasern:

Matrix (Basis) + Aktivator (Verunreinigung).

Der Aktivator ist in der Regel von Bruchteilen bis zu mehreren Prozent in Bezug auf die Matrix vorhanden.

Funktionsprinzip von Festkörperlasern.

In einem 2-Niveau-System kann durch optisches Pumpen keine Inversion erzeugt werden.

In der Praxis werden 3- oder 4-Level-Systeme verwendet.

Mehrere Ebenen können als Ebene 3 in einem 3-Ebenen-Schema und Ebene 4 in einem 4-Ebenen-Schema verwendet werden.

Ein 4-Level-Schema hat eine niedrigere Erzeugungsschwelle.

Als Matrizen eine breite Klasse von Substanzen wird verwendet, insbesondere Salze von Wolfram, Molybdän- und Flusssäure (H 2 WO 4, H 2 MoO 4, HF), Korund Al 2 O 3, Yttrium-Granat Y 3 Me 5 O 12(Wo Mich – Al, Cu, Fe), beispielsweise Y 3 Al 5 O 12 - YAG, Gläser unterschiedlicher Zusammensetzung.

Als Aktivator - Chrom, Kobalt, Nickel, Titan sowie viele Seltenerdelemente.

Beispiele für effiziente Lasermedien:

Al 2 O 3:Cr 3+ ; Y 3 Al 5 O 12:Nd 3+ ; CaF:Nd 3+; Glas: Nd 3+ usw. (siehe Referenz).

Aktive Elemente von Festkörperlasern haben verschiedene Formen:

Die am häufigsten verwendete Form ist a).

Systeme zum optischen Pumpen von Festkörperlasern.

Optisches Pumpsystem entwickelt, um Inversion in aktiven Umgebungen zu erzeugen.

Sowohl kohärentes (Laser-)Pumpen als auch inkohärentes (Lampen-)Pumpen werden verwendet.

Im Fall von inkohärentem (Lampen-)Pumpen besteht das optische Pumpsystem aus Quelle optischer Strahlung(Speziallampe) Illuminator(Reflektor) und Stromversorgung die die Quelle optischer Strahlung speist.

Beispielsweise kann ein optisches Pumpsystem die folgenden Elemente umfassen:

  1. Boost-Transistor;
  2. Gleichrichter;
  3. Kapazität (kapazitiver Speicher);
  4. Pumpe Lampe;
  5. Illuminator;
  6. Blitzlampen-Zündsystem;
  7. aktives Element.

Es werden spezielle Blitzlampen sowie Dauerglühlampen verwendet.

Die Pumpenergie sollte die Grenzenergie für die Lampe nicht überschreiten.

Uc

Zündanlage ( 6 ) steuert den Beginn des Pumpens (Entladung in der Lampe).

Pumplampen haben meistens die Form eines Zylinders mit Elektroden ( Reis. 4). Da die Lampe in alle Richtungen strahlt, fällt ein sehr kleiner Teil ihrer Strahlung auf das aktive Element ( Reis. 5). Daher wird ein Reflektor (Illuminator) benötigt, der möglichst viel Strahlung auf das aktive Element lenkt. Beispiele für solche Illuminatoren sind ein elliptischer Zylinder ( Reis. 6) und einem Kreiszylinder ( Reis. 7), deren Innenflächen hohe Reflexionskoeffizienten aufweisen.

Im Falle von Hochleistungslasern sind Mehrlampenpumpen und ein Element mit großem Durchmesser erforderlich. An Reis. 8 Die Zeichen eines solchen Systems sind schematisch dargestellt, entlang der Mittelachse befindet sich ein aktives Element (AE) und entlang der Brennlinien von Halbellipsen - Pumplampen (LN):

Das Pumpsystem sollte Folgendes bieten:

o hohe Effizienz der Strahlungsübertragung von der Pumplampe zum aktiven Element;

o hohe Gleichmäßigkeit (Gleichmäßigkeit) des Einpumpens des Volumens des aktiven Elements (sowohl entlang der Länge als auch im Querschnitt).

Die Ungleichmäßigkeit des optischen Pumpens des aktiven Elements (insbesondere im Querschnitt) führt aufgrund der ungleichmäßigen Erwärmung zu thermooptischen Verzerrungen und beeinflusst stark die Eigenschaften der Laserstrahlung (Laserschwelle, Winkeldivergenz, Strahlungsenergie) und kann sogar zu einer Unterbrechung der Erzeugung führen. Thermooptische Verzerrungen entstehen aufgrund der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wärmeübertragung und seiner Ungleichmäßigkeit im aktiven Element.

Das Auftreten von thermooptischen Verzerrungen ist äquivalent zu einer Änderung der Resonatorkonfiguration, da die optische Länge des Resonators ist.

Bei Festkörperlasern sind thermooptische Effekte stark ausgeprägt, da der Brechungsindex N stark temperaturabhängig T. An Reis. 9 zeigt den Fall, wenn der zentrale Bereich des aktiven Elements eine höhere Temperatur (schattiert) im Vergleich zum peripheren Bereich aufweist.

An Reis. 10 Ein möglicher Fall von ungleichmäßigem Pumpen (und folglich Temperatur) eines aktiven Elements unter isotroper Beleuchtung seiner zylindrischen Seitenfläche wird gezeigt. Das zylindrische aktive Element verhält sich wie eine Zylinderlinse.

Zusätzlich zur Pumpungleichmäßigkeit wird das Auftreten von thermooptischen Verzerrungen in Festkörperlasern durch das Abkühlen der seitlichen Oberfläche verursacht, da die Wärmeleitfähigkeit begrenzt ist und der mittlere Teil des aktiven Elements eine höhere Temperatur als die seitliche Oberfläche haben wird.

Um die Gleichmäßigkeit des Pumpens zu erhöhen, wird insbesondere die sogenannte Tauchschale verwendet.

Es erhöht auch die Pumpenergiedichte im aktiven Element, da die Größe des Querschnitts, der die Pumpstrahlung "einfängt", zunimmt.

Dieses schädliche Phänomen "frisst" die Inversion und reduziert die Erzeugungsenergie in Richtung der Hauptstrahlung, dh es verschlechtert die Eigenschaften der Strahlung.

Um dies zu bekämpfen, werden Tauchschalen verwendet, und die Seitenfläche (ganz oder teilweise - Streifen und Ringe) des aktiven Elements wird ebenfalls aufgeraut.

Der Nachteil des Lampenpumpens besteht darin, dass sein Spektrum viel breiter ist als die Absorptionsbanden ( Reis. 13).

Beim kohärenten (Laser-)Pumpen kann die Pumpstrahlung perfekt an die Absorptionsbanden angepasst werden.

Kohärentes Pumpen hinsichtlich der Spektrumanpassung am effizientesten ist. Halbleiterlaser werden am häufigsten zum kohärenten Pumpen von Festkörperlasern verwendet. Ein Beispiel für eine solche Pumpe ist in gezeigt Abb.14.

  1. Halbleiter-Laser-Netzteil;
  2. Halbleiterlaser;
  3. passende Optik;
  4. aufblasbar Laser.

Betrachten Sie als Beispiel die Arbeitskreise einiger Festkörperlaser.

Rubinlaser.

Al2O3:Cr3+- Rubin, wo Chromionen als aktive Zentren verwendet werden Cr3+, als Aktivator in die Matrix eingebracht Al2O3. Der Laser arbeitet nach dem in Abb. Abb.15.

Die Erzeugungsenergie in einem Impuls beträgt bis zu 100 J.

Laser auf Neodym-Glas.

Das aktive Medium des Lasers sind Gläser unterschiedlicher Zusammensetzung, bei denen Neodym-Ionen als aktive Zentren verwendet werden Nd 3+ als Aktivator in eine Glasmatrix eingebracht, deren Laser nach dem in Abb. Reis. 16.

YAG-Laser.

Das aktive Medium des Lasers ist Y 3 Al 5 O 12:Nd- Yttrium - Aluminiumgranat, wobei Neodym-Ionen als Aktivator verwendet werden ( Nd 3+) als Aktivator in YAG eingeführt. Die Funktionsweise des Lasers ähnelt der eines Neodym-Glaslasers. Der Laser arbeitet nach einem vierstufigen Schema.

Erzeugung im Dauerbetrieb (bis 500 W-1kW) ist möglich.

Festkörpermikrolaser.

Miniatur-Festkörperlaser können bei einer hohen Partikelkonzentration realisiert werden – bis zu 10 21 cm –3 (zehn- bis hundertmal mehr als in YAG und Glas). Das Pumpen erfolgt durch LEDs oder Halbleiterlaser (kohärentes Pumpen).

Materialien, mit denen Sie eine hohe Konzentration des Aktivators eingeben können:

  • Neodym-Petnophosphat NdP 5 O 14;
  • Kaliumneodymtetraphosphat KNdP 4 O 12;
  • Neodym-Aluminiumborat NdAl 3 (BO 3) 4;
  • Lithium-Neodym-Tetraphosphat LiNdP 4 O 12;

Leistung pro Impuls - mehrere W, .

Sie können eine Einmodenerzeugung bereitstellen und mit Halbleiterlasern konkurrieren. Sie können in einem stabilen Einzelfrequenzmodus arbeiten, bieten eine hohe Kohärenz und Monochromatizität der Strahlung sowie eine geringe Temperaturabhängigkeit.

  • Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat (GSGG) usw.

Im Bereich Gläser gelten KNFS-Gläser (Lithium-Neodym-Lanthan-Phosphat-Gläser) als die vielversprechendsten. Konzentration Nd bis zu 10 21 cm -3 .

Durchstimmbare Festkörperlaser.

Durchstimmbare Festkörperlaser werden in 3 Gruppen eingeteilt:

1. Durch Ionen von Übergangselementen aktivierte Kristalle.

Beispiele:

Alexandrit BeAl2O4:Cr3+(0,70-0,82 um);

· Al2O3:Ti3+(0,68-0,93 um);

· KZn3:Cr3+(0,78–0,86 μm);

· ZnWO4:Cr3+(0,9-1,1 um).

2. Farbzentrumslaser (LCO).

Farbzentren (CC) werden als Kristallgitterdefekte bezeichnet, die Licht in dem Spektralbereich absorbieren, in dem keine Eigenabsorption des Kristalls vorliegt ( Reis. 17).

Kristallgitterfehler:

Leerstellen (von den Gitterplätzen entfernte Ionen);

interstitielle Ionen;

Verunreinigungsatome;

Farbzentren haben entsprechend der Art des Fehlers unterschiedliche Bezeichnungen. So werden beispielsweise Zentren aufgrund anionischer Leerstellen, die Elektronen einfangen, als f-Zentren bezeichnet.

Sie arbeiten nach einem 4-Level-Schema, haben eine niedrige Anregungsschwelle, ein breitbandiges Absorptions- und Lumineszenzspektrum.

An Reis. 17 eine mögliche Struktur der Energieniveaus eines Festkörperlasers anhand von Farbzentren wird gezeigt.

CW-Laser verwenden Laserpumpen. CO-Laser können Subnanosekundenpulse erzeugen.

Umstrukturierung 0,7-3,3 µm.

LiF (0,62–1,25 μm);

NaF (0,99-1,4 um);

RbCl:Li (2,55-3,28 µm)

Derzeit werden Laser auf Basis von Edelsteinen und Halbedelsteinen (Diamant, Saphir, Alexandrit) verbessert.

3. Fest-Flüssig-Laser .

Festkörperlaser werden in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik, einschließlich der Medizin, weit verbreitet eingesetzt.

Gepulste YAG-Laser sind (insbesondere) in der Medizin weit verbreitet:

mit Holmium Ho (λ = 2,1 μm);

mit Erbium Äh (λ \u003d 2,79-2,9 μm) - die beste Absorption in Wasser;

mit Thulium Tm (λ =1,96-2,01 um).

In der Chirurgie zusätzlich:

jag:( λ =1,06 um);

jag:( λ =1,32 um);

KDR-532 ( λ = 0,532 μm).

Kristalle aus chromhaltigen Scandium-Granaten können als Grundlage für die Herstellung einer Vielzahl von medizinischen Lasern dienen:

· IGG:Cr-Nd (Yttrium-Scandium-Gallium-Granat).

Miniaturlaser auf Basis von Erbiumglas (Chrom-Ytterbium-Erbium-Glas)

LGS-X λ = 1,54 um.

Gaslaser.

Gaslaser sogenannte Laser, deren aktives Medium gasförmig ist. Dies können eigentlich Gase oder Dämpfe flüssiger oder fester Stoffe sein.

Hauptmerkmale:

hohe Homogenität des aktiven Mediums;

· eine hohe Monochromatizität und Kohärenz der Strahlung als Folge der geringeren gegenseitigen Beeinflussung der Teilchen.

Wegen der Linienspektren (schmale Banden) der Absorption wird optisches Pumpen selten verwendet.

Am weitesten verbreitet ist das Pumpen mit Hilfe einer elektrischen Entladung (sowohl autark als auch nicht autark) sowie das chemische und thermische (gasdynamische) Pumpen.

Das Design des aktiven Mediums ist eine Küvette (z. B. ein Rohr), in dem sich ein gasförmiges Medium befindet, und die Küvettenfenster sind oft in einem Brewster-Winkel zur Küvettenachse geneigt, um Fresnel-Verluste an den Fenstern zu reduzieren (siehe Abb. Abb.18)

1. mit Gas gefüllte Küvette.

2. Brewster-Fenster (im Brewster-Winkel montiert ich Br). ich Br = arctg n,
Wo N ist der relative Brechungsindex des Fenstermaterials.

In diesem Fall erfährt die in der Einfallsebene polarisierte Strahlung keine Fresnel-Reflexion an den Fenstern, und dafür treten die geringsten Verluste im Resonator auf. Bei dieser Polarisation wird Strahlung erzeugt, das heißt, die Strahlung wird sein linear polarisiert.

Gaslaser werden unterteilt in:

atomar (es werden neutrale Atome verwendet);

Molekular (es werden neutrale Moleküle verwendet);

Ionisch (Ionen werden verwendet).

Abhängig von der Art des Pumpens werden Gaslaser unterteilt in:

Gaselektroentladung (unabhängige elektrische Entladung)

Elektroionisation (nicht selbsterhaltende elektrische Entladung)

Gasdynamisch (thermisches Pumpen)

Chemie (chemisches Pumpen)

Mechanismen zur Erzeugung von Inversion in Gasentladungslasern.

Gasentladung bezeichnet eine Reihe von Prozessen, die mit dem Durchgang von elektrischem Strom durch ein gasförmiges Medium verbunden sind.

Bei einer Entladung entsteht ein Gasentladungsplasma (ein spezielles Medium), das durch eine erhebliche Konzentration geladener und angeregter Teilchen gekennzeichnet ist.

Gaslaser verwenden eine Glimmentladung und eine Bogenentladung. Gepumpt wird mit Gleichstrom, sowohl kontinuierlich als auch gepulst, sowie Hochfrequenzanregung.

Folgende Prozesse führen zur Anregung von Teilchen und zur Inversionsbildung:

Direkte elektronische Anregung (inelastische Stöße von Elektronen mit Teilchen)

e+ A → e + A*

Gestufte elektronische Erregung

e+ A* → e + A**

Zusätzlich zu diesen Prozessen können diese Prozesse im Falle der Verwendung von Hilfsgasen (Verunreinigungsgasen) durch Anregung des Hauptgases aufgrund von Stößen und resonantem Energieaustausch zwischen Partikeln des Hilfs- und Hauptgases ergänzt werden:

e+ B = e + B*

B* + A = B = A*,

Wo A sind Teilchen des Hauptgases.

IN sind die Partikel des Hilfsgases (Fremdgas).

Dieser Mechanismus erhöht die Effizienz der Erzeugung einer Inversion bei Gasentladungslasern erheblich, da er es ermöglicht, die oberen Arbeits-(Laser-)Ebenen selektiv zu besetzen.

Darüber hinaus werden Fremdgase zur effizienteren Kühlung und Entladung niedrigerer Laserniveaus verwendet (z. B. He in einem Laser bei CO2).

Gaslaser verwenden sowohl elektrische Längs- als auch Querentladungen.

Laser mit Bluthochdruck(bis atmosphärisch und mehr) verwenden , A niedriger Druck(Einheiten, Zehner von Tori), in der Regel, Längsentladung.

Zur Kühlung des Arbeitsgemisches werden zB Gaslaser eingesetzt längs, so und quer Gasblasen und Querblasen ist effizienter, da der Gemischwechsel schneller erfolgt als beim Anblasen der Küvette (siehe Abb.), da die Breite der Küvette viel geringer ist als ihre Länge: H<.

Gaslaser Bluthochdruck, verwenden quer verlaufende elektrische Entladung Und Querblasen und werden bezeichnet als TEM-Laser.

Um eine gleichmäßige elektrische Entladung über das gesamte Volumen der Arbeitsmischung von TEA-Lasern sicherzustellen, Vorionisierungssystem, der eine ausreichende Anzahl geladener Teilchen (Elektronen und Ionen) im Arbeitsvolumen des Gases erzeugt, bevor die Hauptspannung zwischen den Elektroden angelegt wird.

Für die Vorionisierung von TEA werden Laser, Elektronenkanonen, UV-Strahlung und eine gleitende Entladung verwendet.

Je mehr Gasdruck, desto größer ist die Konzentration aktiver Teilchen pro Volumeneinheit und dementsprechend spezifischere Energieabgabe.

Bei Lasern niedriger Druck Die Verbreiterung der Emissionslinie wird hauptsächlich durch den Dopplereffekt bestimmt und ist inhomogen, und bei signifikanten Drücken überwiegen Kollisionsprozesse, die die gleichmäßige Verbreiterung bestimmen.

Auf diese Weise, die Art der Verbreiterung der Emissionslinie hängt vom Gasdruck ab.

IN atomar Laser verwendet werden elektronische Übergänge(Übergänge zwischen elektronischen Ebenen), und in molekular, hauptsächlich Übergänge zwischen Schwingungs- und Rotationsebene.

Molekularlaser geben die Strahlung mit der längsten Wellenlänge ab, da sie Übergänge zwischen Schwingungs- und Rotationsniveaus verwenden: Die Energie der Übergänge zwischen diesen ist viel geringer als zwischen elektronischen Niveaus: ∆Eel<<∆E к << ∆E вр .

Die Strahlungseigenschaften von Gaslasern hängen sowohl vom Gesamtgasdruck als auch von den Partialdrücken der Mischungskomponenten (ihr Verhältnis) - Haupt- und Hilfsgas - ab.

IN Ionenlaser notwendig zu verwenden hohe Stromdichten, Weil Neben der Anregung von Ionen ist es notwendig, ihre hohe Konzentration aus neutralen Atomen zu erzeugen.

Ein Merkmal von Elektroionisationslasern ist die Möglichkeit, optimale Elektronenenergien zur Anregung der erforderlichen Energieniveaus bereitzustellen, was bei Lasern mit selbsterhaltender elektrischer Entladung nicht realisiert werden kann. Lassen Sie uns das erklären.

In Gasentladungslasern wird die Energie von Elektronen sowohl für die Erzeugung eines leitenden Plasmas als auch für die Anregung aktiver Teilchen aufgewendet. In diesem Fall sind die Energieoptima für diese beiden Funktionen unterschiedlich. Die Trennung dieser Funktionen erfolgt in Elektroionisationslasern mit einer nicht selbsterhaltenden Ladung.

Betrachten wir als Beispiel einige Arten von Gasentladungslasern.

Ionenlaser.

Küvette- Kapillare (um hohe Stromdichten bei nicht sehr großen Werten zu erhalten).

Als aktives Medium in Gas sind Laser weit verbreitet CO 2 , N 2 , CO, H 2 , HF, HCl, NO 2 und viele andere Moleküle.

Excimer Laser

(Laser auf fliegende Moleküle).

Ein Merkmal von Excimer-Lasern ist g Erzeugung im UV- und sichtbaren Bereich des Spektrums.

Als aktives Umfeld Sie benutzen Quasimoleküle oder Excimer-Komplexe von Atomen, die nur im angeregten Zustand erscheinen und existieren.

Beim Übergang des Excimer-Komplexes vom angeregten Zustand (2) in den nicht angeregten Zustand (1) entsteht Laserstrahlung, danach zerfallen sie in Atome.

Excimerlaser arbeiten mit elektronischen Schwingungsübergängen in der Weise, dass ein Molekül, wenn es in die Ebene (1) eintritt, wo es keinen Potentialtopf gibt, in Atome zerfällt.

Ein aktives Medium auf expandierenden Molekülen ist ein Medium mit ständig leerer unterer Arbeitsebene.

Excimer-Moleküle umfassen Moleküle wie:

Ar 2 *, Xe 2 *, Kr 2 *, ArO*, KrO*, XeO*, XeF* usw.

Excimerlaser arbeiten mit erhöhtem Druck (bis zu 10 atm), um die Wahrscheinlichkeit einer Molekülbildung zu erhöhen.

Die Anregung erfolgt durch einen Strahl hochenergetischer Elektronen e(Hunderte keV - 1 MeV), elektrische Entladung, schnelle Querentladung und optische Anregung.

Ein Beispiel für eine Reaktion, die zur Bildung von Molekülen führt:

Xe + + Xe → Xe 2 + + e → Xe 2 *

Xe* + Xe → Xe2*

Die Dauer des Anregungspulses beträgt mehrere zehn ns.

Gasdynamische Laser

Solche Laser werden als Laser bezeichnet, bei denen die Besetzungsinversion durch die schnelle Expansion eines vorgewärmten Gasgemisches erzeugt wird.

Die Energiequelle sind schwingungsangeregte Moleküle in einem hocherhitzten Gas, und die Verstärkung entsteht durch die unterschiedliche Geschwindigkeit der Relaxationsprozesse der unteren und oberen Laserebene während des Gasaustritts durch eine Überschalldüse. Dieser einzigartige Lasertyp wandelt Wärmeenergie direkt in kohärente Strahlungsenergie um.

Auf diese Weise, Die Besetzungsinversion in einem Gasentladungslaser wird durch Erhitzen und schnelle Expansion des Arbeitsgases bereitgestellt.

N2:CO2:H2O

91,3 % 7,5 % 1,2 %

Aktive Zentren - Moleküle CO2; t bis 1500ºС.

Hinter der Düse sollte sich die Verteilung der Atome aufgrund einer starken Gasausdehnung und eines Temperaturabfalls auf einen neuen Gleichgewichtszustand entspannen, der einer niedrigeren Temperatur (etwa 300 ° C) entspricht.

Bei der neuen Temperatur (hinter der Düse):

Die Leistung eines solchen Lasers wird durch die Gasflussrate bestimmt.

Die Vorerregung (Erwärmung) kann sowohl durch chemische Reaktionen als auch durch elektrische Entladung erfolgen.

du ist der Moment des Auftretens der Inversion.

Z und \u003d t und V Gas ist der Abstand von der Düse, wo der Inversionsbereich beginnt.

V-Gas a ist die Gasdurchflussrate.

chemische Laser.

Chemische Laser- Dies sind Laser, bei denen Anregung und Besetzungsinversion durch die Durchführung chemischer Reaktionen erreicht werden. Die Bindungen werden so umgelagert, dass sich die Komponenten in einem angeregten Zustand befinden.

Es gibt 2 Arten von chemischen Lasern:

· mit der Einleitung einer chemischen Reaktion wann die Bedingungen zu gewährleisten sind

Für den Ablauf einer chemischen Reaktion ist eine vorherige Anregung der an der Reaktion beteiligten Reaktanden (Dissoziation, Photodissoziation, Erwärmung) erforderlich. Dies führt zu der Notwendigkeit spezieller Auslösevorrichtungen;

Beim Mischen der Komponenten tritt spontan eine chemische Reaktion auf

(ohne Einleitung). Die Erzeugung von chemischen Lasern beruht auf dem Auftreten einer Inversion zwischen den Schwingungs-Rotations- oder Rotationsniveaus von zweiatomigen Molekülen, die als Ergebnis einer chemischen Wechselwirkung gebildet wird.

Ein Beispiel für einen chemischen Laser ohne Auslösung einer chemischen Reaktion:

H 2 + F = HF * + HF- atomares Fluor.

(D2) (DF*)

F 2 + NEIN → EINF + F- so entsteht durch eine chemische Reaktion atomares Fluor.

HF*- schwingungsangeregtes Molekül.

v = 1…..6

λ = (3,5 ÷ 5,0) um

Es gibt eine Vielzahl chemischer Laser (siehe Literatur).

Flüssigkeitslaser

Flüssigkeitslaser- Dies sind Laser, bei denen flüssige Medien als aktives Medium verwendet werden.

In dieser Hinsicht haben sie eine Reihe von Funktionen:

das Volumen des aktiven Mediums ist nicht begrenzt;

höhere optische Einheitlichkeit im Vergleich zu Festkörpern;

· die Möglichkeit einer höheren Konzentration aktiver Zentren im Vergleich zu Gasen, was es ermöglicht, hohe Leistungen zu erzeugen;

das Problem der Wärmeabfuhr ist leicht lösbar, da die Flüssigkeit durch das Arbeitsvolumen gepumpt werden kann;

· Die Form des aktiven Elements wird durch die Form der mit Flüssigkeit gefüllten Küvette bestimmt.

Zum Beispiel:

Abhängig von der Art des aktiven Mediums werden Flüssigkeitslaser in 3 Typen unterteilt:

1. Seltenerd-Chelat-Laser(komplexe organische

Komplexe, in denen Ionen von Seltenerdelementen von Sauerstoffatomen umgeben sind, die zu einem organischen Molekül gehören);

2. Laser auf Basis von Lösungen anorganischer Verbindungen von Seltenerdelementen

(typische ionische Systeme). Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz und photochemische Beständigkeit aus (z. B. eine Lösung von Neodymoxid in Selenoxychlorid Nd (SeOCl 2). Die Funktionsweise ähnelt einem Festkörperlaser auf Neodymglas.

3. Lösungen organischer Farbstoffe. Diese Laser sind am weitesten verbreitet

sind üblich und ermöglichen eine Wellenlängenabstimmung in einem breiten Wellenlängenbereich (von UV bis IR).

aktives Umfeld Flüssigkeitslaser bestehen aus einem Lösungsmittel und einem darin gelösten Wirkstoff.

Als Lösungsmittel werden z. B. verschiedene Stoffe verwendet, wie z. B.:

· destilliertes Wasser;

Alkohole;

Säuren;

· Glycerin;

Aceton.

In Lasern auf Basis von Lösungen organischer Farbstoffe werden organische Farbstoffe verwendet, die eine umfangreiche Klasse komplexer organischer Verbindungen darstellen, die sich im Gegensatz zu anderen Lasermaterialien durch eine breite Lumineszenzbande (bis zu 0,2 μm) und einen instabilen oberen Laser auszeichnet Niveau (Dauer des angeregten Zustands 10 -8 ÷ 10 -9 s).

Laserstrahlung wurde an Farbstoffen erhalten, die zu 3 Gruppen gehören:

1. Xanthenfarbstoffe;

2. Polymethin-Farbstoffe;

3. Derivate von Cumarin.

Derzeit sind insbesondere die folgenden Farbstoffe weit verbreitet:

Rhodamin 6G (λ - 0,55 µm) I

Rhodamin G (λ – 0,585 µm) I Lösungsmittel -

Rhodamin B (λ - 0,608 µm) I Ethylalkohol.

Acridon (λ - 0,437 µm) I

Und andere (siehe Referenzmaterialien).

Physikalische Grundvorstellungen über den Entstehungsmechanismus von Farbstofflösungen.

Anfangs versuchten sie bei der Herstellung von Flüssigkeitslasern, die Erzeugung auf die gleiche Weise wie bei Festkörpern zu erreichen. Wir führten Verunreinigungsionen ein, suchten nach engen Energieniveaus (metastabil), führten Elemente von Seltenen Erden, Eisen und so weiter ein. Die Generation war sehr ineffizient.

Dann erkannten sie, dass es bei ausreichend breiten Ebenen möglich ist, eine Erzeugung in einem Zwei-Ebenen-System zu erhalten, was bei schmalen Ebenen unmöglich ist, da es in diesem Fall unmöglich ist, die Inversion durchzuführen.

Das Hauptmerkmal von Farbstofflasern ist also die Verwendung von zwei Ebenen mit beträchtlicher Breite.

Farbstoffmoleküle sind sehr komplex und haben breite Energieniveaus (Banden). Das Band ist eine breite Ebene, die aus einer Vielzahl von Unterebenen besteht. Das folgende Diagramm zeigt die niedrigeren elektronischen Schwingungsniveaus des Farbstoffmoleküls.

τ oben, τ unten- Zeit der inneren Entspannung;

S- Singulett-Ebenen (haben Spins kompensiert);

T- Triplet-Ebenen (haben unkompensierten Spin).

Singulett-Singulett-Übergänge sind wahrscheinlicher als Singulett-Triplett-Übergänge, da letztere mit einer Spinumorientierung verbunden sind. Spinumorientierung ist mit Teilchenkollisionen verbunden.

S 0: ↓↓↓ kompensiert

S 1: ↓↓ ↓ Schleudern

T 0: ↓↓ unkompensierter Spin

Das Pumpen erfolgt von der Unterseite des Streifens S0 an die Spitze des Streifens S1. In diesem Fall wird das thermische Gleichgewicht (Boltzmann-Verteilung) zwischen den Niveaus verletzt S1 - S0, und zwischen Unterebenen innerhalb jedes der Bänder S1 Und S0. Entspannungszeit zwischen den Levels S1 Und S0 Ist ~10 -8 ÷10 -9 s(Relaxationszeit zwischen den Ebenen) und viel länger als die Relaxationszeit zwischen den Unterebenen des Bandes S0 und Streifen S1, welches ist ~10 -12 s(Zeit der Intralevel-Relaxation).

Also die Interlevel-Relaxationszeit S1 → S0 viel längere Intralevel-Relaxationszeit in den Bändern S1 Und S0.

Dieser Umstand ermöglicht es, die Besetzungsinversion zwischen dem unteren Teil des Bandes zu erhalten S1 und die Oberseite des Streifens S0 wenn sie dem oben beschriebenen Pumpen ausgesetzt sind. In diesem Fall ist eine Erzeugung in einem breiten Bereich von Wellenlängen möglich, die Übergängen zwischen verschiedenen Unterpegeln des unteren Teils des Bands S1 und dem oberen Teil des Bands entsprechen S0 und es ist möglich, die erzeugten Wellenlängen in einem weiten Bereich abzustimmen!

Beachten Sie, dass die Dauer des Pumppulses kurz sein und die Relaxationszeit nicht überschreiten sollte S1 → T1, da sonst die Moleküle beginnen, auf die Ebene zu gelangen T0, dann auf die Ebene steigen T1 und die Erzeugung wird aufhören, da die Moleküle nicht in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren S0.

Obwohl in diesem Fall also 2 Ebenen (aber breit) verwendet werden, erfolgt die Generierung wie in einem Vier-Ebenen-Schema mit all seinen Vorteilen.

Zusätzliche Erklärung:

An Reis. 35 die gepunktete Linie zeigt die Verteilung der Partikel vor Beginn des Pumpens (die Boltzmann-Gleichgewichtsverteilung), und die durchgezogenen Linien zeigen die Verteilung, die sich innerhalb der Bänder einstellt S1 Und S0 nach dem Pumpen während der Intralevel-Relaxation und zeigt die Tatsache des Auftretens einer Inversion zwischen einem Teil des Sublevel-Bandes an S1 Und S0.

Methoden zur Anregung (Pumpen) von Flüssigkeitslasern .

Farbstofflösungslaser arbeiten mit optisch gepumpt.

Ein wichtiges Merkmal ist das der Impuls darf die Interlevel-Relaxationszeit S 1 → T 0 nicht überschreiten, das heißt, sei nicht mehr 10 -6 s. Mit einem kurzen Impuls werden die Übergänge S1 → T0 nicht auftauchen. Zum Pumpen werden beide Laser (Laserpumpen) verwendet, die üblicherweise im Q-Switching-Modus arbeiten ( τ-Generation ~ 10 -8 ÷ 10 -9 s) und spezielle Pumplampen (insbesondere koaxiale Ausführung mit niedriger Induktivität), die kurze Impulse aussenden.

Beim Laserpumpen (z. B. mit einem Rubinlaser) mit Q-Switching (insbesondere für Phthalocyanin-Farbstoffe), einem Neodym-Laser mit Q-Switching (für Polymethin-Farbstoffe), einem Stickstofflaser ( λ ~ 3000 Å) gibt es zwei Möglichkeiten:

  1. Längspumpen:

  1. Querpumpen:

Zum Lampenpumpen werden insbesondere Koaxiallampen verwendet.