Азотный лазер — это газовый лазер, работающий в ультрафиолетовом диапазоне [1] (обычно 337,1 нм), использующий в качестве активной среды молекулярный азот , накачиваемый электрическим разрядом.
Эффективность азотного лазера при подключении к сети низкая, обычно 0,1% или меньше, хотя в литературе сообщалось о лазерах на азоте с эффективностью до 3%. Эффективность при подключении к сети является произведением следующих трех эффективностей:
Средой усиления являются молекулы азота в газовой фазе. Азотный лазер является трехуровневым лазером . В отличие от более типичных четырехуровневых лазеров , верхний лазерный уровень азота накачивается напрямую , что не накладывает ограничений на скорость накачки. Накачка обычно обеспечивается прямым электронным ударом; электроны должны иметь достаточную энергию, иначе они не смогут возбудить верхний лазерный уровень. Обычно сообщаемые оптимальные значения находятся в диапазоне от 80 до 100 эВ на торр·см давления азотного газа.
Верхний предел срока службы лазера при низком давлении составляет 40 нс, а срок службы становится короче по мере увеличения давления. Срок службы составляет всего 1–2 нс при 1 атмосфере. В общем
Самые сильные линии находятся на длине волны 337,1 нм в ультрафиолете . Другие линии были зарегистрированы на длине волны 357,6 нм, также ультрафиолетовой. Эта информация относится ко второй положительной системе молекулярного азота, которая является наиболее распространенной. Никакая вибрация двух атомов азота не участвует, поскольку расстояние между атомами не изменяется при электронном переходе. Вращение должно измениться, чтобы доставить угловой момент фотона, кроме того, при комнатной температуре заселяются множественные вращательные состояния. Также есть линии в дальнем красном и инфракрасном диапазонах от первой положительной системы и видимая синяя лазерная линия от положительного (1+) иона молекулярного азота.
Метастабильная продолжительность жизни нижнего уровня составляет 40 мкс, таким образом, лазер самоограничен, как правило, менее чем за 20 нс. Этот тип самоограничения иногда называют «узким местом на нижнем уровне». Это всего лишь эмпирическое правило, которое наблюдается во многих других лазерах: гелий-неоновый лазер также имеет узкое место, поскольку для одного шага распада требуются стенки полости, и этот лазер обычно работает в непрерывном режиме. Несколько органических красителей со временем жизни верхнего уровня менее 10 нс использовались в непрерывном режиме. Лазер Nd:YAG имеет время жизни верхнего уровня 230 мкс, но при этом он также поддерживает импульсы длительностью 100 пс.
Частота повторения может достигать нескольких кГц при условии обеспечения адекватного потока газа и охлаждения структуры. Холодный азот является лучшей средой, чем горячий азот, и это, по-видимому, является одной из причин того, что энергия и мощность импульса падают по мере увеличения частоты повторения до более чем нескольких импульсов в секунду. Также, по-видимому, существуют проблемы, связанные с ионами, остающимися в лазерном канале.
Можно использовать воздух , состоящий на 78% из азота, однако содержание кислорода более 0,5% отравляет лазер.
Азотные лазеры могут работать в резонаторной полости , но из-за типичного коэффициента усиления 2 на каждые 20 мм они чаще работают только на суперлюминесценции ; [ необходима ссылка ] хотя обычно на одном конце помещают зеркало так, чтобы выходной сигнал испускался с противоположного конца.
Для 10-мм ширины усиливающего объема дифракция вступает в игру после 30 м вдоль усиливающей среды, что является неслыханной длиной. Таким образом, этому лазеру не нужна вогнутая линза или перефокусирующие линзы, а качество луча улучшается вдоль усиливающей среды. Высота накачиваемого объема может быть всего 1 мм, требуя перефокусирующей линзы уже после 0,3 м. Простым решением является использование закругленных электродов с большим радиусом, так что получается квадратичный профиль накачки.
Среда усиления обычно накачивается поперечным электрическим разрядом . Когда давление равно (или выше) атмосферному давлению , конфигурация называется TEA-лазером ( TEA — аббревиатура от Transverse Electrical discharge in gas at Atmospheric pressure ).
В сильном внешнем электрическом поле этот электрон создает электронную лавину в направлении линий электрического поля . Диффузия электронов и упругое рассеяние на молекуле буферного газа распространяет лавину перпендикулярно полю. Неупругое рассеяние создает фотоны , которые создают новые лавины в сантиметрах от него. Через некоторое время электрический заряд в лавине становится настолько большим, что, следуя закону Кулона , он генерирует электрическое поле, равное по величине внешнему электрическому полю. В областях повышенной напряженности поля эффект лавины усиливается. Это приводит к электрическим дугообразным разрядам, называемым стримерами . Смесь благородного газа (до 0,9) и азота усиливает упругое рассеяние электронов над умножением электронов и, таким образом, расширяет лавины и стримеры.
Искровые разрядники используют высокую плотность молекул газа и низкую плотность начальных электронов, чтобы благоприятствовать стримерам. Электроны удаляются медленно растущим напряжением. Газ высокой плотности увеличивает поле пробоя, поэтому можно использовать более короткие дуги с меньшей индуктивностью, а емкость между электродами увеличивается. Широкий стример имеет меньшую индуктивность.
Газовые лазеры используют низкую плотность молекул газа и высокую плотность начальных электронов для предотвращения стримеров. Электроны добавляются предварительной ионизацией, а не удаляются кислородом, поскольку используется азот из бутылок. Широкие лавины могут возбудить больше молекул азота.
Неупругое рассеяние нагревает молекулу, так что при втором рассеянии вероятность испускания электронов увеличивается. Это приводит к дуге. Обычно дуга возникает после лазерной генерации в азоте. Стример в искровом промежутке разряжает электроды только посредством заряда изображения , таким образом, когда стример касается обоих электродов, большая часть заряда все еще доступна для питания дуги; дополнительный заряд хранится на распределительных пластинах. Таким образом, дуга в искровом промежутке начинается до лазерной генерации.
Условия для импульсных лавинных разрядов описаны Леваттером и Лином. [3]
Электроника представляет собой схему, состоящую из искрового промежутка , конденсатора и разряда через азот. Сначала заряжаются искровой промежуток и конденсатор. Затем искровой промежуток разряжается, и напряжение подается на азот.
Альтернативная конструкция использует два конденсатора, соединенных как генератор Блюмлейна . [4] Два конденсатора соединены так, что одна пластина является общей землей, а остальные соединены с электродами искрового промежутка. Эти конденсаторы часто изготавливаются из одного слоя печатной платы или аналогичной стопки медной фольги и тонкого диэлектрика. Конденсаторы соединены через индуктор, простую катушку с воздушным зазором. Один конденсатор также имеет небольшой искровой промежуток поперек него. Когда применяется HT, два конденсатора заряжаются медленно, эффективно соединенные индуктором. Когда искровой промежуток достигает своего пускового напряжения, он разряжается и быстро снижает напряжение этого конденсатора до нуля. Поскольку разряд быстрый, индуктор действует как разомкнутая цепь, и поэтому разность напряжений на поперечном искровом промежутке (между двумя конденсаторами) быстро растет, пока главный искровой промежуток не разрядится, зажигая лазер. [4]
Скорость любой цепи увеличивается в два этапа. Во-первых, индуктивность всех компонентов уменьшается за счет укорачивания и расширения проводников и сжатия цепи в плоский прямоугольник. Общая индуктивность представляет собой сумму компонентов:
Сообщается, что интенсивный разряд искажает осциллографы поблизости. Это можно уменьшить, построив лазер симметрично в заземленном цилиндре с искровым зазором внизу, лазером вверху, конденсатором 1 слева и справа, а также конденсатором 2 слева и справа, наложенным на конденсатор 1. Это имеет дополнительное преимущество в снижении индуктивности. И это имеет недостаток в том, что канал лазера больше не может быть проверен на наличие искр.
Во-вторых, теория линии передачи и теория волновода применяются для достижения возбуждения бегущей волны. Измеренные импульсы азотного лазера настолько длинны, что второй шаг не важен. Из этого анализа следует, что:
Закон Пашена гласит, что длина искрового промежутка обратно пропорциональна давлению. При фиксированном отношении длины к диаметру искры индуктивность пропорциональна длине (источник [1], сравните с: дипольная антенна ). Таким образом, электроды искрового промежутка приклеиваются или привариваются к диэлектрическому кольцу-проставке. Чтобы уменьшить опасность, вызванную давлением, объем минимизируется. Чтобы предотвратить искры за пределами кольца-проставки при низком давлении, проставка обычно утолщается наружу в s-образной форме.
Связь между искровым промежутком и лазерным каналом на основе теории бегущей волны:
Напряжение пробоя низкое для гелия, среднее для азота и высокое для SF 6 [5] , хотя ничего не сказано об изменениях толщины искры.
При использовании искрового промежутка возможно время нарастания до 8×10 10 А/с. [6] Это хорошо соответствует типичному времени нарастания 1×10 −8 с и типичным токам 1×10 3 А, имеющим место в азотных лазерах.
Каскад искровых промежутков позволяет использовать слабый импульс запуска для инициирования стримера в меньшем промежутке, ждать его перехода в дугу, а затем распространения этой дуги в больший промежуток. [7] Тем не менее, первому искровому промежутку в каскаде для начала требуется свободный электрон, поэтому джиттер довольно высок.
Лавины быстро гомогенизируют разряд в основном вдоль линий поля. При короткой длительности (<10 мс) с момента последнего лазерного импульса остается достаточно ионов, так что все лавины перекрываются также и латерально. При низком давлении (<100 кПа) максимальная плотность носителей заряда низкая, и электромагнитный переход от лавины к искре подавляется.
В других случаях УФ-излучение гомогенизирует разряд медленно перпендикулярно разряду. Они приводятся в равновесие путем размещения двух линейных разрядов рядом друг с другом на расстоянии 1 см друг от друга. Первый разряд проходит через меньший зазор и начинается рано. Из-за малого количества начальных электронов обычно видны стримеры на расстоянии 1 мм друг от друга. Электроды для первого разряда покрыты диэлектриком, который ограничивает этот разряд. Поэтому напряжение может расти дальше, пока лавины не начнутся во втором зазоре. Их так много, что они перекрываются и возбуждают каждую молекулу.
При длительности импульса около 11 нс генерация УФ-излучения, ионизация и захват электронов происходят в том же скоростном режиме, что и длительность импульса азотного лазера, и, следовательно, необходимо применять столь же быстрое электричество.
Верхний лазерный уровень эффективно возбуждается электронами с энергией более 11 эВ, лучшая энергия составляет 15 эВ. Температура электронов в стримерах достигает только 0,7 эВ. Гелий из-за своей более высокой энергии ионизации и отсутствия колебательных возбуждений повышает температуру до 2,2 эВ. Более высокие напряжения увеличивают температуру. Более высокие напряжения означают более короткие импульсы. [8]
Давление газа в азотном лазере колеблется от нескольких мбар до нескольких бар. Воздух обеспечивает значительно меньшую выходную энергию, чем чистый азот или смесь азота и гелия . Энергия импульса колеблется от 1 мкДж до примерно 1 мДж; пиковая мощность может быть достигнута от 1 кВт до 3 МВт. Длительность импульса варьируется от нескольких сотен пикосекунд (при парциальном давлении азота в 1 атмосферу) до примерно 30 наносекунд при пониженном давлении (обычно несколько десятков торр), хотя типичной является ширина импульса на полувысоте от 6 до 8 нс.
Азотный лазер с поперечным разрядом долгое время был популярным выбором для любительского домашнего строительства благодаря своей простой конструкции и простому обращению с газом. Он был описан журналом Scientific American в 1974 году как одна из первых статей о лазерном домашнем строительстве. [4] Поскольку для этого воздушного лазера нет полости, устройство не является строго лазером, а использует усиленное стимулированное излучение (ASE).
![{\displaystyle t[\mathrm {ns} ]={\cfrac {36}{1+12,8*p[\mathrm {bar} ]}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3a227f77678db0b07db2f03ac83437bc5568038a)