TEA-лазер — это газовый лазер, возбуждаемый высоковольтным электрическим разрядом в газовой смеси, обычно при атмосферном давлении или выше . Наиболее распространенными типами являются лазеры на углекислом газе и эксимерные лазеры , оба широко используются в промышленности и научных исследованиях; менее распространены азотные лазеры . Аббревиатура «TEA» означает Transversely Excited Atmospheric.
Углекислотный (CO 2 ) TEA-лазер был изобретен в конце 1960-х годов Жаком Болье, работавшим в Defense Research and Development Canada в Валькартье, Квебек , Канада . Разработка держалась в секрете до 1970 года, когда были опубликованы краткие подробности.
В 1963 году C. Kumar N. Patel , работая в Bell Telephone Laboratories , впервые продемонстрировал лазерный выход на 10,6 мкм из низконапорного ВЧ- возбуждаемого газового разряда CO 2 . С добавлением азота и гелия и использованием постоянного электрического разряда были достигнуты мощности непрерывного излучения около 100 Вт. Путем импульсного разряда с использованием более высоких напряжений или модуляции добротности с использованием вращающегося зеркала можно было получить импульсную мощность в несколько киловатт в качестве практического предела.
Более высокие пиковые мощности могли быть достигнуты только путем увеличения плотности возбужденных молекул CO 2 . Емкость для запасенной энергии на единицу объема газа увеличивается линейно с плотностью и, следовательно, давлением газа, но напряжение, необходимое для достижения пробоя газа и сопряжения энергии с верхними лазерными уровнями, увеличивается с той же скоростью. Практическое решение, позволяющее избежать очень высоких напряжений, состояло в том, чтобы импульсно подавать напряжение поперек оптической оси (а не продольно, как в случае с лазерами низкого давления), ограничивая расстояние пробоя несколькими сантиметрами. Это позволило использовать управляемые напряжения в несколько десятков кВ. Проблема заключалась в том, как инициировать и стабилизировать тлеющий разряд при этих гораздо более высоких давлениях газа, не вырождаясь при этом в яркую сильноточную дугу, и как добиться этого в полезном объеме газа.
Болье сообщил о поперечно возбуждаемом лазере на CO2 атмосферного давления . Его решение проблемы образования дуги состояло в том, чтобы иметь проводящий стержень, обращенный к линейному массиву штырей с зазором в несколько сантиметров. Штыри были индивидуально нагружены резисторами, заставляющими разряд с каждого штыря входить в слаботочную щетку или тлеющий разряд, который расходился веером по направлению к стержню. Лазерная полость зондировала 100-200 таких разрядов последовательно, обеспечивая усиление лазера. Конденсатор быстрого разряда быстро переключался через электроды лазера с помощью искрового промежутка или тиратрона, обеспечивая импульсы высокого напряжения.
Эти первые TEA-лазеры "Pin-Bar", работающие примерно с одним импульсом в секунду, были просты и дешевы в изготовлении. Работая при атмосферном давлении, можно было избежать сложных вакуумных и газовых систем. Они могли производить пиковые мощности MW длительностью несколько 100 нс, способные разрушать воздух, если их сфокусировать с помощью линзы с коротким фокусным расстоянием. Недостатками были плохая симметрия усиления, рассеивание в резисторах и размер.
Первый настоящий (не штыревой) TEA-лазер был реализован Пирсоном и Ламбертоном, работавшими в исследовательской лаборатории электронных систем Министерства обороны Великобритании в Балдоке. Они использовали пару электродов с профилем Роговского, разнесенных на один или два сантиметра. Их конструкция с двойным разрядом [ требуется разъяснение ] передавала часть энергии разряда на тонкую проволоку, проходящую параллельно одной стороне электродов и смещенную относительно нее. Это служило для предварительной ионизации газа , что приводило к равномерному объемному тлеющему разряду. Не менее важным, чем предварительная ионизация, было то, что разряд должен быть очень быстрым. При быстром сбросе энергии в газ сильноточные дуги не успевали образовываться.
Пирсон и Ламбертон использовали стрик-камеру для проверки последовательности событий. Когда напряжение было установлено на электродах, полевая эмиссия из тонкой проволоки привела к плоскому разряду между ней и анодом. Поскольку последующий основной разряд начался с катода, было высказано предположение, что фотоэмиссия была инициирующим механизмом. Впоследствии другие исследователи продемонстрировали альтернативные методы достижения предыонизации. К ним относились диэлектрически изолированные провода и электроды, скользящие искровые массивы, электронные пучки и штыри, нагруженные импедансом с конденсаторами.
Оригинальный TEA-лазер Пирсона-Ламбертона мог работать с частотой около одного импульса в секунду при переключении с искровым зазором, разряжающим конденсатор, резистивно заряженный от источника постоянного тока. Благодаря циркуляции газа между электродами, что использовало зарядку конденсатора без потерь и замене искрового зазора на тиратрон, впоследствии с помощью различных конструкций TEA-лазера были достигнуты частоты повторения свыше тысячи импульсов в секунду.
Метод двойного разряда, необходимый для инициирования стабильных газовых разрядов высокого давления, может использоваться как ниже, так и выше атмосферного давления , и эти устройства также могут называться TEA-лазерами. Коммерческие эксимерные лазеры, работающие в ультрафиолете, используют режим двойного разряда, очень похожий на TEA-лазер CO2 . Используя криптон , аргон или ксенон , хлорид или фторид газа, забуференный гелием до давления 2–3 атмосфер, эксимерные лазеры могут производить мегаваттные импульсы ультрафиолетового лазерного света.
В большинстве искровых разрядников перенапряжения лавины электронов движутся к аноду. Закон Кулона гласит, что по мере увеличения числа электронов увеличивается и напряженность поля. Сильное поле ускоряет лавину. Медленное время нарастания напряжения позволяет электронам дрейфовать к аноду, прежде чем они смогут сгенерировать лавину. Электрофильные молекулы захватывают электроны, прежде чем они смогут сгенерировать лавину. Тепловые эффекты дестабилизируют однородный разряд электронов, а диффузия ионов стабилизирует его.
TEA CO 2 лазеры широко используются для маркировки продукции. Логотип, серийный номер или срок годности наносятся на различные упаковочные материалы путем пропускания лазерного луча через маску, содержащую информацию, и фокусировки его до интенсивности, которая испаряет маркируемый материал. Кроме того, TEA CO 2 лазеры используются для подготовки поверхности в промышленных условиях с середины 1990-х годов. Области применения включают:
Преимуществом этого специфического лазера является сочетание специфической для CO2 длины волны, в основном 10,6 мкм, с высоким уровнем энергии коротких импульсов (~2 мкс).
Разработка TEA-лазера и воспроизведение его создания в других исследовательских лабораториях были исследованы социологом Гарри Коллинзом . Он проанализировал, как вместо того, чтобы иметь возможность построить лазер только из опубликованных источников, исследователи зависели от телефонных звонков и личных посещений лабораторий, чтобы изучить навыки, необходимые для создания функционирующего TEA-лазера. Тем не менее, при обмене знаниями между собой ученые также скрывали информацию, которая считалась важной в конкуренции между лабораториями (Collins 1974). Эта работа 1974 года считается основополагающей для введения пересмотренной концепции неявного знания в социологии и истории науки.