Тема: Лазер из двух алюминиевых труб

[Gall]

А какой ток предпочтителен у разряда? Постоянка? Переменка? Пульсируюущий? Я понимаю, "задача" питающего разряд тока, вызвать свечение? Т.е. поток фотонов?

Лазер работает только тогда, когда через разряд идет ток. Если ток будет переменным или пульсирующим, лазер будет мигать.

Если электроды разные (а они разные), тогда анод и катод оказываются вполне определенными из их геометрии, и ток делают постоянным. Ну или импульсным, если хотят импульсы.

Задача разряда - загнать атомы на метастабильный энергетический уровень. Тогда проходящий через газ свет начнет вызывать излучение более сильного света. разряд при этом светится, но не всякое свечение разряда соответствует лазерному усилению (вынужденному излучению). Если нужные условия созданы, то добавление зеркал вызовет лазерную генерацию (как у электрического усилителя, если его выход соединить со входом).

Для корпуса лазера из металла принципиально не подходит продольный разряд. Тяжело заизолировать вдоль, полтора метра трубы от изначально необходимого для пробоя такой длины высокого напряжения. Потому остается поперечный разряд, а раз так, то необходим либо центральный электрод, либо что-то вроде прямоугольной трубы у которой противоположные стенки из диэлектрика...

Обычно делают именно стенки из диэлектрика. Уникальность конструкции TRUMPF именно в том, что они от этого отказались. И вопрос длины - если полтора метра, то конечно поперечный разряд проще, но если лазер в виде "блина" маленькой длины (не уверен, что это возможно на CO2), тогда проще продольный.

[вв-21]

Еще вопрос. В описаниях работы лазеров встречается "режим сверхсвечения". Что из себя представляет этот режим, можно ли его использовать в технологии, например, резки?
ВВ.

[Gall]

Это вредный режим. Лазер, свалившийся в сверхсвечение (суперлюминесценцию), нормально работать не будет.

Суть: нормально работающий лазер усиливает собственное излучение, отразившееся от зеркал. В режиме сверхсвечения лазер усиливает какое попало излучение (то, которое обычно уходит в стороны). В результате вместо одного мощного луча получается несколько тысяч слабых, идущих из трубки во все стороны как попало.

Суперлюминесценция происходит при "перекачивании" лазера, т.е. если мощность накачки слишком велика и лазер не может ее "переварить". Порог зависит от соотношения длины и диаметра трубки; трубка большого диаметра суперлюминесцирует легче.


Режим сверхсвечения - это режим, когда усиление уходящих "в стороны" фотонов почти такое же, как усиление идущих "вдоль".

[вв-21]

Уважаемый  Gall, в каких случаях в лазерах используют проходное или полупрозрачное зеркало, а в каких отверстия (окна) вместо него. Что предпочтительнее и что это дает?
С уважением, ВВ.

[Gall]

Полупрозрачное зеркало используют всегда, когда это технически возможно. В зависимости от типа лазера коэффициент отражения может составлять от 10 до 99 процентов (у маломощных лазеров выше).

Отверстие - "запасной вариант", используется при невозможности сделать полупрозрачное зеркало. С точки зрения физики оно хуже: вероятность выхода фотона начинает зависеть от направления его распространения, усложняется селекция мод, падает когерентность. Используется в лазерах очень большой мощности, например, когда зеркало требует водяного охлаждения, или если из-за экзотической длины волны не удается подобрать материал для полупрозрачного зеркала. Может использоваться как "дешевый" вариант для лазера, от которого высокое качество луча не требуется.

Существуют и другие варианты; например, в зеленых лазерных указках применяются два глухих для 1064 нм зеркала, а вывод излучения происходит за счет его преобразования в 532 нм (зеркала прозрачны для 532 нм).

[вв-21]

А еще по поводу зеркал. Встречаются описания, например, рубиновых лазеров, у которых торцы стержня служат зеркалами, или в другом варианте зеркала выносные. Т.е. находятся на некотором расстоянии от торцов стержня. Что предпочтительнее?
ВВ.

[Gall]

Зависит от требований к конструкции.

Встроенные зеркала дешевле, конструкция проще и надежнее, но изготовление сложнее, юстировка невозможна. Обычно когерентность луча такого лазера хуже. Встроенные зеркала применяются в дешевых полупроводниковых лазерах, зеленых лазерных указках на Nd:YVO4 и в маленьких гелий-неоновых трубках.

Внешние зеркала допускают более точную юстировку и добавление вспомогательных оптических элементов между зеркалом и стержнем, например эталонов Фабри-Перо. Так делаются лазеры более высокой когерентности, а также с модулированной добротностью. Возможна замена одного из зеркал на дифракционную решетку или призму Литтрова. Внешние зеркала применяются в лабораторных лазерах.

Есть более сложные конструкции. Например, может использоваться система из четырех зеркал с кольцевой траекторией луча. Она характерна для жидкостных лазеров. Тогда зеркала обычно тоже внешние. Еще бывают мощные CO2-лазеры, в которых ради экономии места трубка "разрезана и сложена", тогда между отдельными фрагментами трубки зеркала чаще тоже внешние.

Главное преимущество внешних зеркал - возможность замены этих зеркал и модернизации уже готового лазера.

[вв-21]

Лазер работает только тогда, когда через разряд идет ток. Если ток будет переменным или пульсирующим, лазер будет мигать.

Вопрос не праздный. Присмотрелся к имеющемуся лазеру ТРУМПФ продольному, 2 квт. У него нет внутренних электродов, только снаружи кварцевых трубок. К ним подводится ВЧ, мегагерцы. Схему, правда, не смотрел (надо будет глянуть). Т.е. получается емкостное возбуждение активной среды. Если на эти внешние электроды просто подать высокое напряжение постоянного тока, то полагаю, свечение не возникнет. А вот если ВЧ, то возникнет. Более перспективный вариант, по моему мнению, импульсное постоянное напряжение высокой частоты.  Достаточно прогуляться по сайтам Тесла и Качеро строителей. Простой качер состоит из нескольких деталей. А в их полях светится почти все. Интуиция подсказывает, что изюминка процесса кроется как раз в характере разряда. Упрощенно рассуждая, мы должны "закинуть" атомы (электроны) среды на более высокий энергетический уровень. "Скатываясь" оттуда они должны породить фотоны. Энергией накачки "скатившиеся" атомы (электроны) должны быть снова заброшены на высокий энергетический уровень. Налицо колебательный процесс. Ну, а уж коли таковой имеется, то, само собой, напрашивается использование резонанса.
ВВ.

[Gall]

Вопрос не праздный. Присмотрелся к имеющемуся лазеру ТРУМПФ продольному, 2 квт. У него нет внутренних электродов, только снаружи кварцевых трубок. К ним подводится ВЧ, мегагерцы. Схему, правда, не смотрел (надо будет глянуть). Т.е. получается емкостное возбуждение активной среды. Если на эти внешние электроды просто подать высокое напряжение постоянного тока, то полагаю, свечение не возникнет. А вот если ВЧ, то возникнет.

Да, существует такой способ возбуждения. В нем используется не просто переменный ток, а действительно высокая частота, микроволновое излучение. На таких высоких частотах время жизни возбужденного состояния оказывается больше периода колебаний, и лазер работает как при непрерывной накачке. Преимущество - нет электродов, подверженных износу. Недостаток - сложность и КПД.

По сути своей это промежуточный вариант между прямой накачкой электрическим разрядом и оптической накачкой от лампы (как в твердотельных лазерах). Уже не ток, но еще не свет.

Более перспективный вариант, по моему мнению, импульсное постоянное напряжение высокой частоты.  Достаточно прогуляться по сайтам Тесла и Качеро строителей. Простой качер состоит из нескольких деталей. А в их полях светится почти все. Интуиция подсказывает, что изюминка процесса кроется как раз в характере разряда. Упрощенно рассуждая, мы должны "закинуть" атомы (электроны) среды на более высокий энергетический уровень. "Скатываясь" оттуда они должны породить фотоны. Энергией накачки "скатившиеся" атомы (электроны) должны быть снова заброшены на высокий энергетический уровень. Налицо колебательный процесс. Ну, а уж коли таковой имеется, то, само собой, напрашивается использование резонанса.

Не совсем так. Дело в том, что есть процесс спонтанного излучения (просто свечение) и есть излучение лазерное (вынужденное, усиливаемое). Спонтанное излучение возникает просто: забрасываем электроны на верхний уровень, они падают вниз и излучают фотон. Это происходит как попало, и при этом получается простой некогерентный свет.

Для лазерного излучения нужны особые уровни - верхний должен быть метастабильным, а нижний - чуть выше основного. Причем всех уровней, задействованных в процессе, должно быть по возможности четыре. Сначала электроны попадают на самый верхний уровень. Этот уровень никогда не может быть устойчивым (если на него электрон можно забросить, то с него электрон легко и сбросить). Поэтому чуть ниже есть второй уровень - метастабильный. Электроны, падающие с верхнего уровня сразу после накачки, "застревают" на нем на достаточно большое время (микросекунды). Это важно! Электроны не должны дальше падать сами по себе, они должны именно дождаться фотона, чтобы могло произойти ВЫНУЖДЕННОЕ излучение (т.е. усиление). А дальше - еще интереснее. Если мы хотим, чтобы лазер работал в непрерывном режиме, то электроны не должны при излучении падать прямо на самый нижний уровень! Нужен еще четвертый уровень, промежуточный. На нем электроны не задерживаются, а сразу проваливаются вниз.

Четвертый уровень придется пояснить. Дело в том, что процесс излучения и процесс поглощения симметричны. Если электрон падает вниз и излучает фотон, то при наличии электрона внизу точно такой же фотон поглотится. Это значит, что если электроны с метастабильного уровня будут попадать прямо на основной, то лазер будет поглощать собственное излучение! Ведь на метастабильном уровне образуется пустота, на основном электронов всегда много, а значит, возможно поглощение фотона и переход электрона обратно вверх. Это вредный процесс. Поэтому реальные лазеры работают обычно на 4 уровнях.

Есть исключения. Классический рубиновый лазер - трехуровневый. Поэтому он может работать только в коротком импульсе и с плохим КПД (он очень быстро перестает усиливать и начинает поглощать собственный свет). Азотный лазер вообще двухуровневый. Поэтому он работает в еще более коротком импульсе, имеет плохой КПД и отвратительную когерентность - свет успевает пройти через резонатор только один раз, и фильтрации от "грязи" толком не происходит. Эти типы лазеров широкого применения не нашли.



Вот классическая картинка уровней гранатового лазера. Накачка забрасывает электроны сразу на несколько разных верхних уровней, причем широких. Электроны с них почти сразу переходят на ⁴F_3/2, это метастабильный уровень. Под действием фотона происходит излучение еще одного фотона (переход на ⁴F_11/2). Это и есть лазерный переход. Потом электроны возвращаются на основное состояние ⁴T_9/2. Если бы не было промежуточных уровней и переходов, излучение либо не было бы лазерным, либо поглощалось бы самим же лазером обратно.

[вв-21]

М-да... Картина намного сложнее чем представлялась.
А имеются ли, какие нибудь признаки или параметры среды, которые позволи ли бы судить о том, на каком уровне находится основная масса электронов? Сопротивление, емкость, ток, напряжение, частота, форма кривой, ну и т.п.?
ВВ.

[Gall]

Очевидных - нет. Поддаются расчету, но расчет сложный (такие расчеты - узкая специализация у физиков). Но спасает то, что в действительности в веществах разных энергетических уровней чуть менее чем до фига, поэтому подходящие находятся очень часто, вплоть до того, что даже на бактериях можно сделать лазер. Простой критерий - вещества, способные к флюоресценции на каких-то длинах волн, чаще всего где-то в области тех же длин волн имеют лазерный переход. Но не всегда.

Есть несколько основных способов сделать лазер. Самый простой - взять атомы с подходящими уровнями, обычно это 3d-элемент (хром) или 4f-элемент (неодим, эрбий) и поместить в виде маленькой примеси либо в прозрачное твердое вещество (корунд, гранат, стекло), либо в раствор. Корунд с хромом имеет красный цвет и называется "рубин" - и это было первое вещество, которое пришло в голову физикам. Кстати, лазерный рубин не красный, а бледно-розовый, почти прозрачный: хрома не должно быть много. Накачивать такой лазер придется светом - лампой или другим лазером.

Подходящие атомы можно взять в виде газа (неон, аргон) или испарить вещество (медь, кадмий, ртуть, золото). Тогда можно использовать накачку электрическим разрядом. Опять же, вещества должно быть мало, и опять требуется нейтральный "заполнитель" (он же - среда для электрического разряда), обычно это гелий. Так получаются гелий-неоновый лазер, гелий-кадмиевый лазер, лазеры на парАх меди, золота, ртути, свинца. Иногда удается обойтись одним чистым газом, не смесью (аргоновый лазер).

Можно взять не атом, а молекулу, причем использовать и колебательные энергетические уровни тоже. CO₂ подойдет. Опять же в смеси с гелием. Можно использовать накачку не электрическим разрядом, а за счет химической реакции (лазер на HF) или же за счет электрического разряда вызывать обратимую реакцию (лазер на эксимере XeF).

Можно взять сложную органическую молекулу, у которой уровни можно делать очень разными на выбор. К сожалению, они будут довольно широкими и короткоживущими, поэтому очень большую мощность не получить, зато длину волны можно сделать любой и даже регулируемой. Это лазеры на органических красителях. Обычно краситель используется в виде спиртового раствора и одновременно является охлаждающей жидкостью.

Можно особыми способами сделать в кристалле полупроводника желаемую схему уровней. Это все полупроводниковые диодные лазеры. Даже если такой лазер получается плохим, его можно использовать для накачки другого лазера вместо мощной лампы. При лазерной накачке возбуждаются не какие попало уровни, а избирательно только один нужный уровень, поэтому КПД получается намного выше.

[Gall]

Чисто для иллюстрации - как выглядит результат расчета структуры энергетических уровней в каком-то кристалле. Не знаю, что это за вещество - просто случайная картинка из Интернета, даже не имеющая к лазерам отношения. График справа, перевернутый на бок - плотность энергетических уровней (из нее можно получить заселенность, зная температуру). График слева - собственно уровни; мы привыкли рисовать их прямыми горизонтальными черточками, но в кристалле энергия уровней начинает зависеть от направления движения электрона/фотона/чего-то_еще по отношению к решетке кристалла (от импульса, говорят физики), поэтому по оси абсцисс отложено это самое направление импульса. Буквами отмечены характерные направления, Г - это "центр", "ноль", а остальные точки - см. ссылку ниже. Мы движемся из точки в точку и строим график, как при этом меняется энергия.

Обозначения точек зоны Бриллюэна (картинка)

[вв-21]

Понятно... Но, расчет расчетом, а каким образом конструктор, пользователь, узнает, что атомы(молекулы, электроны) достигли и находятся на требуемом уровне? И как это достигается физически? Меняется частота импульсов, уровень напряжения, тока, состав газовой среды? Рачет ведь не всегда совпадает с реальностью. Поясню мысль: допустим, мощность излучения растет до определенного предела в зависимости от концентрации гелия в лазере. В таком случае элементарная автоматическая следящая цепочка с обратной связью будет поддерживать максимум мощности излучения за счет регулировки подачи гелия. Я упрощенно, разумеется.
ВВ.

[Gall]

В физике расчет совпадает с реальностью с огромной точностью. Задача инженера - сделать лазер в точности так, как рассчитано, а задача физика - сделать расчет в точности по данной конструкции, без упрощений.

О том, соответствует ли расчет реальности, можно судить по измерениям характеристик лазера. Характеристики расчет тоже дает. Если все сходится, значит, расчет верен.