Ионные лазеры: принцип работы и применение.

Введение

Тип газового лазера

Ионный лазер – это газовый лазер, использующий ионизированный газ в качестве активной среды. Как и другие газовые лазеры, ионные лазеры имеют герметичный резонатор, содержащий активную среду и зеркала, формирующие резонатор Фабри-Перо. В отличие от гелиево-неоновых лазеров, переходы между энергетическими уровнями, обеспечивающие генерацию лазерного излучения, происходят на ионах. Из-за значительной энергии, необходимой для возбуждения ионных переходов в ионных лазерах, требуемый ток значительно выше, поэтому почти все, кроме самых маломощных ионных лазеров, требуют водяного охлаждения. Например, небольшой ионный лазер с воздушным охлаждением может генерировать 130 милливатт выходной оптической мощности при трубном токе около 10 ампер и напряжении 105 вольт. Поскольку один ампер, умноженный на один вольт, равен одному ватту, это соответствует электрической мощности около одного киловатта. Вычитая (желательную) световую мощность в 130 мВт из потребляемой мощности, получаем большое количество тепловых потерь, почти в один киловатт. Эта тепловая энергия должна отводиться системой охлаждения. Иными словами, энергетическая эффективность очень низкая.

Лазер криптона

Лазер криптона — это ионный лазер, в котором в качестве активной среды используются ионы благородного газа криптона. Накачка лазера осуществляется электрическим разрядом. Лазеры криптона широко применяются в научных исследованиях, а также в коммерческих целях: при смешивании криптона с аргоном они создают "белый свет", который полезен для лазерных шоу. Лазеры криптона также используются в медицине (например, для коагуляции сетчатки глаза), при производстве голограмм защиты и для множества других применений. Лазеры криптона способны излучать видимый свет на длинах волн, близких к следующим значениям: 406,7 нм, 413,1 нм, 415,4 нм, 468,0 нм, 476,2 нм, 482,5 нм, 520,8 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм и 676,4 нм.

Аргонный лазер

Аргон-ионный лазер был изобретен в 1964 году Уильямом Бриджесом в компании Hughes Aircraft Company и является одним из семейства ионных лазеров, использующих благородный газ в качестве активной среды. Аргон-ионные лазеры применяются для ретинальной фототерапии (лечения диабета), литографии и накачки других лазеров. Аргон-ионные лазеры излучают на 13 длинах волн в видимом и ультрафиолетовом спектрах, включая: 351,1 нм, 363,8 нм, 454,6 нм, 457,9 нм, 465,8 нм, 476,5 нм, 488,0 нм, 496,5 нм, 501,7 нм, 514,5 нм, 528,7 нм и 1092,3 нм. Однако наиболее часто используемые длины волн находятся в сине-зеленой области видимого спектра. Эти длины волн перспективны для использования в подводных коммуникациях, поскольку морская вода достаточно прозрачна в этом диапазоне. Обычные аргоновые и криптоновые лазеры способны генерировать непрерывное излучение (CW) мощностью от нескольких милливатт до десятков ватт. Их трубки обычно изготавливаются из никелевых фланцев, коваровых металлов с керамическими уплотнениями, керамики на основе оксида бериллия или вольфрамовых дисков, установленных на медном теплоотводе в керамической оболочке. Первые трубки были простыми кварцевыми, затем появились кварцевые с графитовыми дисками. По сравнению с гелиево-неоновыми лазерами, которым требуется всего несколько миллиампер входного тока, для накачки аргонного лазера используется ток в несколько ампер, так как газ необходимо ионизировать. Ионная лазерная трубка выделяет значительное количество тепла, поэтому такие лазеры требуют активного охлаждения. Типичная плазма ионного лазера на благородных газах состоит из высокоплотного тлеющего разряда в благородном газе в присутствии магнитного поля. Типичные условия непрерывной плазмы: плотность тока от 100 до 2000 А/см², диаметр трубки от 1,0 до 10 мм, давление заполнения от 0,1 до 1,0 Торр (0,0019 до 0,019 psi) и осевое магнитное поле порядка 1000 гаусс. Уильям Р. Беннетт, соавтор изобретения первого газового лазера (гелиево-неонового лазера), первым наблюдал эффект спектрального сжигания отверстий в газовых лазерах и разработал теорию эффекта "сжигания отверстий" в лазерных колебаниях. Он также был одним из первооткрывателей лазеров, использующих возбуждение ударом электронов в каждом из благородных газов, диссоциативный перенос возбуждения в неонно-кислородном лазере (первом химическом лазере) и коллизионное возбуждение в ряде лазеров на металлических парах.

The argon ion laser was invented in 1964 by William Bridges at the Hughes Aircraft Company and it is one of the family of ion lasers that use a noble gas as the active medium. Argon ion lasers are used for retinal phototherapy (for the treatment of diabetes), lithography, and the pumping of other lasers. Argon ion lasers emit at 13 wavelengths through the visible and ultraviolet spectra, including: 351.1 nm, 363.8 nm, 454.6 nm, 457.9 nm, 465.8 nm, 476.5 nm, 488.0 nm, 496.5 nm, 501.7 nm, 514.5 nm, 528.7 nm, and 1092.3 nm. However, the most commonly used wavelengths are in the blue–green region of the visible spectrum. These wavelengths have the potential for use in underwater communications because seawater is quite transparent in this range of wavelengths. Common argon and krypton lasers are capable of emitting continuous wave (CW) output of several milliwatts to tens of watts. Their tubes are usually made from nickel end bells, kovar metal to ceramic seals, beryllium oxide ceramics, or tungsten disks mounted on a copper heat spreader in a ceramic liner. The earliest tubes were simple quartz, then followed by quartz with graphite disks. In comparison with the helium–neon lasers, which require just a few milliamperes of input current, the current used for pumping the argon laser is several amperes, since the gas has to be ionized. The ion laser tube produces much waste heat, and such lasers require active cooling. The typical noble gas ion laser plasma consists of a high current density glow discharge in a noble gas in the presence of a magnetic field. Typical continuous wave plasma conditions are current densities of 100 to 2000 A/cm2, tube diameters of 1.0 to 10 mm, filling pressures of 0.1 to 1.0 Torr (0.0019 to 0.019 psi), and an axial magnetic field of the order of 1000 gauss. William R. Bennett, a co inventor of the first gas laser (the helium–neon laser), was the first to observe spectral hole burning effects in gas lasers, and he created the theory of "hole burning" effects in laser oscillation. He was co discoverer of lasers using electron impact excitation in each of the noble gases, dissociative excitation transfer in the neon–oxygen laser (the first chemical laser), and collision excitation in several metal vapor lasers.

Другие коммерчески доступные типы

Ar/Kr: Смесь аргона и криптона может создавать лазер с выходными длинами волн, воспринимаемыми как белый свет. Гелий-кадмиевый: синее лазерное излучение на длине волны 442 нм и ультрафиолетовое на 325 нм. Пары меди: жёлтое и зелёное излучение на длинах волн 578 нм и 510 нм.