Ионные лазеры на парах металлов с разрядом с полым катодом (стр. 6 )

He-Ag, Ne-Ag и He-Au И. л. п. м. с РПК и катодным распылением.В то же время самой коротковолновой УФ-линией, на которой получена непрерывная генерация, является линия 224,3 нм AgII, зарегистрированная в смеси He-Ag(с 1% добавкой Ar) с мощностью в непрерывном режиме 1,46мВт. Мощность порядка 1Вт зарегистрирована на линиях 318,1 и 478,8нм (в смеси Ne-Ag) и линиях 800,5…840,3нм (в смеси He-Ag+1%Xe), и порядка 0,5Вт на линиях 284,7…291,8нм (в смеси He-Au+1%Ar) в квазинепрерывном режиме.

3. И. л. п. м. с РПК и комбинированной активной средой.

Одним из важных преимуществ газовых лазеров, в т. ч. и И. л. п. м. с РПК, перед лазерами других типов является возможность использования смеси нескольких активных газов и одновременная работа на нескольких линиях, им принадлежащих.

3.1. л. п. м. с РПК с термоиспарением и комбинированной активной средой

Из табл. 1 следует, что применение каждого из веществ обеспечивает генерацию на нескольких длинах волн в широком спектральном диапазоне, однако даже уникальный трехцветный He-Cd непрерывный И. л. п. м. с РПК (синяя 441,6 нм, зеленые 533,7/537,8нм и красные 635,5/636,0нм линии), не позволяет получить приемлемую мощность в красной области спектра, из-за чего затруднена регулировка в широких пределах относительной мощности излучения линий.

He-Cd-Hg непрерывный И. л. п. м. с РПК. В трехцветном И. л. п. м. с РПК, использовавшем пары кадмия и ртути в смеси с гелием, генерировалось излучение на синей (441,6нм) и зеленых (533,7/537,8нм) линиях иона кадмия и на красной (615 нм) — иона ртути. Поскольку красная линия иона ртути имеет на порядок более высокую удельную мощность, чем красная линия иона кадмия, то это позволяет значительно уменьшить габариты лазера и, кроме того, - в широких пределах осуществлять регулировку соотношения мощностей на красной и синей-зеленых линиях путем изменений давления ртути. В лазере с трубкой "поперечного типа" (рис. 3,г) при диаметре катода 3мм, режиму равных мощностей на синей, зеленых и красной линиях соответствовали давление гелия 13 Торр, парциальные давления кадмия и ртути соответственно 0,1Торр и 0,04Торр, плотность тока 40мА/см2, и суммарная мощность была в 8 раз выше, чем в смеси He-Cd.

He-Kr-Hg импульсный И. л. п. м. с РПК. Уникальность этого лазера, работающего на линиях 431,8 и 469,4нм KrII и 615 и 794,5нм HgII состоит в том, что во-первых, энергетическими донорами для ртути и криптона в плазме являются две различные частицы - ион Heo+ и метастабильный атом гелия в состоянии 23S1, а, во-вторых, ионы гелия при столкновениях с атомами криптона не разрушаются ("перезарядочные" уровни KrII в смеси He-Kr отсутствуют), и вся энергия ионов гелия идет на накачку ионных переходов HgII перезарядкой. Поэтому из двух возможных механизмов взаимовлияния двух рабочих веществ, заключающихся: а)в снижении концентрации энергетических доноров (Heм и He+) за счет снижения концентрации быстрых электронов, способных возбуждать и ионизовывать гелий, и б)в росте скорости разрушения посредством соударений 2-го рода доноров для накачки другого вещества, влияние криптона на возбуждение ртути сказывается в значительно меньшей степени.. Поэтому концентрация криптона, соответствующая режиму равных мощностей в красной и синей частях спектра, может быть сделана по сравнению с концентрацией паров ртути более высокой, что повышает мощность и коэффициент усиления переходов 431,8 и 469,4нм Kr II по сравнению с переходами 615,0нм и 794,5нм HgII. Криптон и ртуть оказываются подходящими для комбинирования в смеси с гелием также ввиду близких зависимостей лазерной мощности от тока (в диапазоне 0…1,0А/см2).

He-Cu-Ag-Au квазинепрерывный И. л. п. м. с РПК и катодным распылением имел составной катод из трех сегментов (трубка типа рис. 4,в): медного, и с Ag - и Au-вкладышами, последовательно расположенных вдоль оптической оси, и работал на десяти ИК линиях в области длин волн 760…860нм, из которых две принадлежали спектру CuII, пять-AgII, и три - AuII.

Оригинальным является метод введения паров нескольких веществ из их сплава, (Cd и Zn, Cu и Zn) однако в этом случае регулировка относительной мощности излучения линий также отсутствует.

4. Области применений И. л. п. м. с РПК

Появление класса И. л. п. м. с РПК привело к существенному увеличению набора линий генерации газоразрядных лазеров в видимом диапазоне при одновременном излучении на нескольких линиях (многоцветный режим), и в УФ-диапазоне с длинами волн, почти достигающими границы вакуумного УФ-излучения. Так, линия иона серебра 224,3 нм является сейчас самой коротковолновой линией, на которой зарегистрировано непрерывное лазерное излучение. Мощность в непрерывном режиме и средняя мощность в режиме возбуждения микросекундными импульсами достигает долей и единиц ватт с удельной мощностью в десятки милливатт с кубического сантиметра, при этом линия узкая, легко может быть реализован одномодовый режим, устройства питания и излучатель не очнь сложны, а напряжение на порядок меньше, чем для лазеров с ПС. Заметим, что при частоте повторения импульсов свыше 1 кГц для многих применений импульсно-периодическое излучение эквивалентно непрерывному.) Достаточно просто реализуется режим с большой апертурой светового луча, что позволяет воспроизводить графическое изображение с образца, помещаемого непосредственно в резонатор.

Применения многоцветных И. л. п. м. с РПК: голография, лазерное телевизионные устройства, цветоделение и цветная печать в полиграфии, запись с высоким разрешением цветных графических изображений на различные носители, в том числе перезапись с кинопленки на видеокассеты и обратно, перезапись с обычных кино - и фотоносителей на фотоматериалы; изготовление многоцветных голографических микрофиш, многоцветная спекл-интерферометрия, медицинская диагностика, стандарты длин волн в видимой области.

л. п. м. с РПК ультрафиолетового диапазона: Преимуществами перед другими альтернативными источниками УФ излучения (умножение частоты и генерация гармоник излучения твердотельных лазеров и др.) являются: узкая спектральная линия, возможность работы в непрерывном режиме. Потенциальные области применений: спектроскопия, биотехнология, высокочувствительный мониторинг биополимеров, УФ-фотолитография, фотохимия, медико-биологические эксперименты, контроль поверхности, высокоплотная запись информации на различные, в т. ч. голографические носители и др.

л. п. м. с РПК ИК-диапазона: накачка лазеров на щелочно-галоидных центрах окраски, лазеров на красителях ИК-диапазона и др.

Список литературы

1. Byer R. L., Bell W. E., Hodges E. et al. // J. Opt. Soc. Am., 1965. V.55. P.1598.

2. , // Журнал прикл. спектр. 1967. Т.6. C.668.

3. , , Ионные лазеры на парах металлов.-М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.

4. Ivanov I. G., Latush E. L., Sem M. F. Metal Vapour Ion Lasers: Kinetic Processes and Gas Discharges.-Chichester-New York-Brisbane-Toronto-Singapore: John Wiley & Sons. 1996. 285 p.

5. Little C. E. Metal Vapour Lasers: Physics, Engineering and Applications.- Chichester-New York-Weinheim-Singapore-Toronto: John Wiley & Sons. 1999. 619 p.

6. Shi B., Fetzer G. J., Yu Z. et al. // IEEE J. Quant. El. 1989. V.25. P.948.

7. Janossy M., Mezei P. // Pure Appl. Opt. 1994. V.3. P.301.

8. Fujii К., Moya Y., Amano M. et al. // Proc. Int. Conf. Lasers '84, STS Press: McLean, VA, 1985. P.268.

9. Angelov I., Grozeva M., Sabotinov N. // Meas. Sci. Technol. 1993. V.4. P.682.

10. , , и др. // Электронная тех-ка. (Сер.1. Электроника СВЧ). 1969. №9, С. 103.

11. Fukuda S., Miya M. // Jpn. J. Appl. Phys. 1974. V.13. P.667.

12. Mizeraczyk J., Mentel J., Schmidt E. et al. // Meas. Sci. Technol. 1994. V.5. P.936.

13. Wang S.С., Siegman A.Е. // Appl. Phys. 1973. V.2. P.143.

14. Piper J. A., Webb С.Е. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. V.6. P. 400.

15. Fujii К., Takahashi T., Asami Y. // IEEE J. Quant. El. 1975. V.11. P.111.

16. Xu G., Fujii К., Nakayama S. et al. // Jpn. J. Appl. Phys., Part I. 1997. V.36. P.129.

17. Kalinchenko G. A., Ivanov I. G., Sem M. F. et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. V.31. P.50.

18. , Применение лазеров в приборах точной механики.- С-Пб.: Политехника. 1993. 216 с.

19. Ward В. К., Piper J.A., Giddor P.E. // mun. 1988. V.66. P.145.

20. , , et al. // ЖТФ. 1969. Т.39, C.1923.

21. Рокка Дж. Дж., ж. // Автометрия. 1984. № 1, C.3.

22. Ivanov I. G. and Pimonov A. Yu. // J. Moscow Phys. Soc. 1997. V.7, P.371.

23. Jain K., Newton S. A. // Appl. Phys. 1982. V. B26. P.43.

РИСУНКИ к статье

Рис. 1. Конфигурация электродов разрядных трубок и электрические характеристики РПК ”продольно-поперечного” типа (а) и ”поперечного” типа (б). Вид с торца катода (в). Uразр - напряжение разряда, UКТП - падение напряжения на КТП, UОС - разность потенциалов между данной точкой ОС и анодом, J - плотность тока разряда с поверхности катода.

Рис. 2. (а) - типичные рассчитанные интегральные ФРЭ в плазме ОС стационарного РПК в смеси He-Cd при изменении концентрации атомов металла: N(M) = 0 (кривая 1), 1015 см-3(кривая 2) и 6*1015 см-3 (кривая 3). Давление гелия PHe = 5Торр.

(б) - скорость ионизации буферного газа (кривые 1) и скорость накачки перезарядкой ионных уровней металла(кривые 2) как функция концентрации атомов металла N(M) в ПС (штриховые кривые) и в ОС РПК (сплошные кривые).

Рис. 3. Разрядные трубки И. л. п. м. с РПК ”продольно-поперечного” типа (а-в) и ”поперечного” типа (г). 1 - катод, 2 - анод, 3 - испаритель, 4 - выходное окно, 5 - стеклянный баллон трубки, 6 - керамика, 7, 8 - штенгели для напуска газа и откачки, 9 - дополнительный анод, 10 - капиллярные секции. Не показаны элементы оптического резонатора и источника питания.

Рис. 4. Поперечное сечение разрядных трубок И. л. п. м. с РПК и катодным распылением. 1-катод, 2-анод, 3-рубашка водяного охлаждения, 4-вкладыш катода, 5-стеклянная или кварцевая оболочка трубки, 6-кварцевая оболочка катода, 7-катодные пластины, 8-электроды, 9-зона ОС.