Кіріспе
Азот лазері – молекулалық азотты күшейту ортасы ретінде пайдаланатын және электрлік разрядпен қоздырылатын, ультракүлгін диапазонда (әдетте 337,1 нм) жұмыс істейтін газ лазері. Азот лазерінің электр қуатын пайдалану тиімділігі төмен, әдетте 0,1% немесе одан аз, бірақ әдебиетте 3% дейін тиімділік көрсеткен азот лазерлері туралы мәліметтер бар. Электр қуатын пайдалану тиімділігі келесі үш тиімділіктің көбейтіндісі болып табылады: электрлік: TEA лазері; күшейту ортасы: Бұл барлық азот лазерлері үшін ортақ және сондықтан кемінде 3% болуы керек; электрондық соққы арқылы инверсия Франк-Кондон принципіне байланысты 10:1-ге жетеді; төменгі лазерлік деңгейде энергия жоғалуы: 40%; оптикалық: Стимуляцияланған эмиссия спонтанды эмиссиядан артық.
electrical: TEA laser
gain medium: This is the same for all nitrogen lasers and thus has to be at least 3%
inversion by electron impact is 10 to 1 due to Franck–Condon principle
energy lost in the lower laser level: 40%
optical: More stimulated emission than spontaneous emission
Орташа пайда
Көбею ортасы газ фазасындағы азот молекулалары болып табылады. Азот лазері үш деңгейлі лазер. Көптеген стандартты төрт деңгейлі лазерлерден айырмашылығы, азоттың жоғарғы лазер деңгейі тікелей сорғыланады, бұл сорғы жылдамдығына шектеу қоймайды. Сорғылау әдетте тікелей электрондық соққы арқылы жүзеге асырылады; электрондар жеткілікті энергияға ие болуы керек, әйтпесе жоғарғы лазер деңгейін қоздыра алмайды. Типик жағдайда оптималды мәндер азот газының 80-100 эВ/Торр·см қысымы диапазонында болады. Лазердің өмір сүру мерзімінің жоғарғы шегі төмен қысымда 40 нс құрайды, ал қысымның артуымен өмір сүру мерзімі қысқарады. 1 атмосфера қысымда өмір сүру мерзімі 1-2 нс-қа тең. Жалпы алғанда, ең күшті сызықтар ультракөк сәулеленудің 337,1 нм толқын ұзындығында байқалады. 357,6 нм толқын ұзындығындағы басқа сызықтар да тіркелген, олар да ультракөк сәулеленуге жатады. Бұл ақпарат молекулалық азоттың екінші оң жүйесіне қатысты, ол ең көп кездесетін жүйе. Электрондық өту кезінде атомдар арасындағы қашықтық өзгеретіндіктен, екі азот атомының тербелісіне қатысты ешқандай өзгеріс болмайды. Фотонның бұрыштық импульсын беру үшін айналу өзгеруі қажет, сонымен қатар бөлме температурасында бірнеше айналу күйлері белсенді болады. Бірінші оң жүйеден алыс қызыл және инфрақызыл сызықтар, сондай-ақ молекулалық азоттың оң (1+) ионынан шығатын көрінетін көк лазерлік сызықтар да бар. Метастабильді төменгі деңгейдің өмір сүру мерзімі 40 мкс құрайды, сондықтан лазер өзін-өзі тоқтатуға бейім, әдетте 20 нс-ден кем уақыт ішінде. Өзін-өзі тоқтатудың мұндай түрі кейде "төменгі деңгейдегі тұйыққа тірелу" деп аталады. Бұл, көптеген басқа лазерлерде байқалатындай, тек шамамен алынған ереже: гелий-неон лазерінде де тұйыққа тірелу байқалады, себебі бір ыдырау сатысы үшін қуыстың қабырғалары қажет, және бұл лазер әдетте үздіксіз режимде жұмыс істейді. Үздіксіз режимде 10 нс-тан кем жоғарғы деңгейдің өмір сүру мерзіміне ие бірнеше органикалық бояулар қолданылған. Nd:YAG лазерінің жоғарғы деңгейінің өмір сүру мерзімі 230 мкс құрайды, бірақ ол 100 пс импульстарды да қолдайды. Газ ағыны мен конструкцияны салқындату жеткілікті болса, қайталану жиілігі бірнеше кГц-ке дейін жете алады. Салқын азот, ыстық азоттан жақсы орта болып табылады, және бұл импульс энергиясы мен қуатының қайталану жиілігі секундына бірнеше импульстан асып кеткенде төмендеуіне себеп болатын факторлардың бірі болып көрінеді. Сонымен қатар, лазерлік каналда қалған иондармен байланысты мәселелер де бар. 78% азоттан тұратын ауа қолданылуы мүмкін, бірақ 0,5%-дан астам оттегі лазерді уландырады.
The strongest lines are at 337.1 nm wavelength in the ultraviolet. Other lines have been reported at 357.6 nm, also ultraviolet. This information refers to the second positive system of molecular nitrogen, which is by far the most common. No vibration of the two nitrogen atoms is involved, because the atom atom distance does not change with the electronic transition. The rotation needs to change to deliver the angular momentum of the photon, furthermore multiple rotational states are populated at room temperature. There are also lines in the far red and infrared from the first positive system, and a visible blue laser line from the molecular nitrogen positive (1+) ion. The metastable lower level lifetime is 40 μs, thus, the laser self terminates, typically in less than 20 ns. This type of self termination is sometimes referred to as "bottlenecking in the lower level". This is only a rule of thumb as is seen in many other lasers:
The helium–neon laser also has a bottleneck as one decay step needs the walls of the cavity and this laser typically runs in continuous mode. Several organic dyes with upper level lifetimes of less than 10 ns have been used in continuous mode. The Nd:YAG laser has an upper level lifetime of 230 μs, yet it also supports 100 ps pulses. Repetition rates can range as high as a few kHz, provided adequate gas flow and cooling of the structure are provided. Cold nitrogen is a better medium than hot nitrogen, and this appears to be part of the reason that the pulse energy and power drop as the repetition rate increases to more than a few pulses per second. There are also, apparently, issues involving ions remaining in the laser channel. Air, which is 78% nitrogen, can be used, but more than 0.5% oxygen poisons the laser.
Электрлік
Көбею ортасы көбінесе көлденең электрлік разрядпен қоздырылады. Қысым атмосфералық қысымда (немесе одан жоғары) болғанда, бұл конфигурация TEA лазері деп аталады (TEA – атмосфералық қысымдағы газдағы көлденең электрлік разрядтың аббревиатурасы).
Тез ағындының микроскопиялық сипаттамасы
Қатты сыртқы электр өрісінде бұл электрон электр өрісінің сызықтары бойымен электрондық көшкін құрайды. Электрондардың диффузиясы және буферлік газ молекуласындағы серпімді шашырау көшкінды өріске перпендикуляр таратуға мүмкіндік береді. Серпімді емес шашырау фотондарды жасайды, олар сантиметрлер қашықтықта жаңа көшкіндерді тудырады. Біраз уақыттан кейін көшкін ішіндегі электр заряды соншалықты үлкен болады, Кулон заңына сәйкес, ол сыртқы электр өрісімен тең электр өрісін жасайды. Өріс күші жоғары аймақтарда көшкін әсері күшейеді. Бұл электр дуғасына ұқсас разрядтарға, яғни ағындарға алып келеді. Инертті газдың (0.9-ға дейін) және азоттың қоспасы электрондардың серпімді шашырауын электронды көбейтуден гөрі арттырады, соның салдарынан көшкіндер мен ағындар кеңейеді. Ұшқыштар газ молекулаларының жоғары тығыздығын және бастапқы электрондардың төмен тығыздығын пайдаланады, бұл ағындардың пайда болуына жағдай жасайды. Электрондар баяу өсетін кернеу арқылы алынып тасталады. Жоғары тығыздықтағы газ бұзылу өрісін арттырады, сондықтан индуктивтігі төмен қысқа доғаларды қолдануға болады, сондай-ақ электродтар арасындағы сыйымдылық та артады. Кең ағынның индуктивтілігі төмен. Газ лазерлері ағындардың алдын алу үшін газ молекулаларының төмен тығыздығын және бастапқы электрондардың жоғары тығыздығын қолданады. Электрондар преионизация арқылы қосылады, оттегімен алынып тасталмайды, себебі баллондардағы азот қолданылады. Кең көшкіндер көбірек азот молекулаларын қоздырады. Серпімді емес шашырау молекуланы қыздырады, сондықтан екінші шашырауда электронды шығару ықтималдығы артады. Бұл доғаның пайда болуына әкеледі. Әдетте, доғалау азотпен лазерлеуден кейін пайда болады. Ұшқыш аралығындағы ағын электродтарды тек бейне зарядтары арқылы разрядтайды, сондықтан ағын екі электродқа тигенде зарядтың көп бөлігі доғаны қуаттандыруға әлі де қол жетімді болады; қосымша заряд тарату пластиналарында жиналады. Осылайша, Ұшқыш аралығында доғалау лазерлеуден бұрын басталады. Импульстік көшкін разрядтарының жағдайларын Леваттер және Лин сипаттаған.
thus widens avalanches and streamers. Spark gaps use a high density of gas molecules and a low density of initial electrons to favor streamers. Electrons are removed by a slowly rising voltage. A high density gas increases the breakdown field, thus shorter arcs can be used with lower inductance and the capacity between the electrodes is increased. A wide streamer has a lower inductance. Gas lasers use low density of gas molecules and a high density of initial electrons to prevent streamers. Electrons are added by preionisation not removed by oxygen, because nitrogen from bottles is used. Wide avalanches can excite more nitrogen molecules. Inelastic scattering heats up a molecule, so that in a second scattering the probability of electron emission is increased. This leads to an arc. Typically arcing occurs after lasing in nitrogen. The streamer in the spark gap discharges the electrodes only by means of image charge, thus when the streamer touches both electrodes most of the charge is still available to feed the arc; additional charge is stored on the distribution plates. Thus arcing in the spark gap starts before lasing. Conditions for pulsed avalanche discharges are described by Levatter and Lin.
Электродинамика
Электроника - бұл тұтану аралығы, конденсатор және азот арқылы разрядталатын тізбек. Бірінші кезекте тұтану аралығы мен конденсатор зарядталады. Содан кейін тұтану аралығы өзінен-өзі разрядталады және азотқа кернеу қолданылады. Баламалы конструкция Блюмлейн генераторы ретінде қосылған екі конденсаторды пайдаланады. Екі конденсатор сондай етіп жалғанады, бір пластинасы жалпы жерге қосылады, ал қалғандары тұтану аралығының электродтарына жалғанады. Бұл конденсаторлар көбінесе бір қабатты баспалы схема тақтасынан немесе мыс фольгасы мен жұқа диэлектриктен жасалған жиынтықтан құралады. Конденсаторлар индуктор арқылы байланысады, яғни ауа кеңістігіндегі қарапайым катушка арқылы. Бір конденсатордың үстінде кішкентай тұтану аралығы да бар. Жоғары кернеу (HT) қолданылғанда, екі конденсатор индуктормен байланысқан күйде баяу зарядталады. Тұтану аралығы оның іске қосылу кернеуіне жеткенде, ол разрядталады және конденсатордың кернеуін тез нөлге дейін төмендетеді. Разряд жылдам болғандықтан, индуктор ашық тізбек ретінде әрекет етеді, сондықтан негізгі тұтану аралығы разрядталғанша, лазерді іске қосуға дейін көлденең тұтану аралығындағы (екі конденсатор арасындағы) кернеу айырмасы тез өседі. Бірақ тұтанудың қалыңдығының өзгеруі туралы ештеңе айтылмаған. Тұтану аралығында 8×1010 А/с дейін жоғары өрбу уақыты мүмкін. Бұл 1×10−8 с-тың типтік өрбу уақытына және азот лазерлерінде кездесетін 1×103 А типтік тоқтарға жақсы сәйкес келеді. Тұтану аралықтарының каскады әлсіз іске қосу импульсін кішігірім аралықта плазманы бастауға, оның доғаға өтуін күтуге және содан кейін осы доғаның үлкен аралыққа таралуына мүмкіндік береді. Дегенмен, каскадтағы алғашқы тұтану аралығына бастапқыда бос электрон қажет, сондықтан джиттер жоғары болады.
Электрондық соққы арқылы қоздыру
Жоғары лазерлік деңгей 11 ЭВ-тан жоғары энергиялы электрондармен тиімді түрде қоздырылады, ең қолайлы энергиясы 15 ЭВ. Ағындардағы электрон температурасы 0,7 ЭВ-қа жетеді. Гелийдің иондану энергиясы жоғары болғандықтан және тербеліс қоздыруларының болмауы температураны 2,2 ЭВ-қа дейін көтереді. Кернеу жоғарылаған сайын температура да жоғарылайды. Кернеудің жоғарылауы импульстардың қысқаруын білдіреді.
Типтік құрылғылар
Азот лазеріндегі газ қысымы бірнеше мбардан бірнеше барға дейін өзгереді. Таза азотқа немесе азот пен гелий қоспасына қарағанда ауа едәуір аз шығыс энергиясын қамтамасыз етеді. Импульс энергиясы 1 мкДж-ден 1 мДж-ға дейін, ал қуаттың максималды деңгейі 1 кВт-тан 3 МВт-қа дейін жетеді. Импульс ұзақтығы бірнеше жүз пикосекундтан (азоттың 1 атмосфералық жартылай қысымында) қысым төмендегенде шамамен 30 наносекундқа дейін (әдетте бірнеше ондаған Торр) өзгереді, бірақ FWHM импульсының толық кеңдігі әдетте 6-8 нс құрайды.