Введение
Азотный лазер — это газовый лазер, работающий в ультрафиолетовом диапазоне (обычно 337,1 нм), использующий молекулярный азот в качестве активной среды, накачиваемый электрическим разрядом. Эффективность азотного лазера (относительно потребляемой мощности) низкая, обычно 0,1% или меньше, хотя в литературе сообщается о азотных лазерах с эффективностью до 3%. Эта эффективность является произведением трех составляющих:
электрической: TEA-лазер;
активной среды: она одинакова для всех азотных лазеров и, следовательно, должна быть не менее 3%;
инверсии населенностей, создаваемой электронным ударом, составляет 10:1 благодаря принципу Франка — Кондона;
энергии, теряемой на нижнем лазерном уровне: 40%;
оптической: наблюдается преобладание вынужденного излучения над спонтанным излучением.
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
Средняя величина прибыли
Средой усиления являются молекулы азота в газовой фазе. Азотный лазер – это трехуровневый лазер. В отличие от более типичных четырехуровневых лазеров, верхний лазерный уровень азота накачивается напрямую, что не накладывает ограничений на скорость накачки. Накачка обычно осуществляется прямым электронным ударом; электроны должны обладать достаточной энергией, иначе они не смогут возбудить верхний лазерный уровень. Обычно сообщаемые оптимальные значения находятся в диапазоне от 80 до 100 эВ на торр·см давления азота. Верхний предел времени жизни лазера при низком давлении составляет 40 нс, а время жизни уменьшается с увеличением давления. При 1 атмосфере время жизни составляет всего 1–2 нс. В общем, наиболее интенсивные линии находятся на длине волны 337,1 нм в ультрафиолетовом диапазоне. Также зарегистрированы линии на 357,6 нм, также в ультрафиолетовом диапазоне. Эта информация относится ко второй положительной системе молекулярного азота, которая является наиболее распространенной. Вибрации двух атомов азота не участвуют, поскольку расстояние между атомами не изменяется при электронном переходе. Вращение должно изменяться для передачи углового момента фотона, кроме того, при комнатной температуре заселены множественные вращательные состояния. Также существуют линии в дальнем красном и инфракрасном диапазонах, соответствующие первой положительной системе, и видимая синяя лазерная линия от положительного (1+) иона молекулярного азота. Время жизни метастабильного нижнего уровня составляет 40 мкс, следовательно, лазер самозатухает, как правило, менее чем за 20 нс. Этот тип самозатухания иногда называют "бутылочным горлышком на нижнем уровне". Это лишь эмпирическое правило, как и во многих других лазерах: гелиево-неоновый лазер также имеет "бутылочное горлышко", поскольку один из этапов распада требует взаимодействия со стенками резонатора, и этот лазер обычно работает в непрерывном режиме. Несколько органических красителей с временем жизни верхнего уровня менее 10 нс использовались в непрерывном режиме. Лазер Nd:YAG имеет время жизни верхнего уровня 230 мкс, однако он также поддерживает импульсы 100 пс. Частота повторения может достигать нескольких кГц при условии обеспечения достаточного потока газа и охлаждения конструкции. Холодный азот является лучшей средой, чем горячий азот, и это, по-видимому, является одной из причин снижения энергии и мощности импульса при увеличении частоты повторения до более чем нескольких импульсов в секунду. Кроме того, по-видимому, существуют проблемы, связанные с остаточными ионами в лазерном канале. Воздух, содержащий 78% азота, может быть использован, но содержание кислорода более 0,5% приводит к отравлению лазера.
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.
Электрические
Активная среда обычно накачивается поперечным электрическим разрядом. Когда давление равно (или превышает) атмосферное, такая конфигурация называется TEA-лазером (TEA – аббревиатура от Transverse Electrical discharge in gas at Atmospheric pressure).
Микроскопическое описание быстрого разряда
В сильном внешнем электрическом поле этот электрон создает электронную лавину в направлении линий электрического поля. Диффузия электронов и упругое рассеяние на молекулах буферного газа распространяют лавину перпендикулярно полю. Неупругое рассеяние создает фотоны, которые инициируют новые лавины на расстоянии нескольких сантиметров. Через некоторое время электрический заряд в лавине становится настолько большим, что, в соответствии с законом Кулона, он генерирует электрическое поле, равное внешнему. В областях с повышенной напряженностью поля эффект лавины усиливается. Это приводит к электрическим разрядам, подобным дуге, называемым стриймерами. Смесь благородного газа (до 0,9) и азота усиливает упругое рассеяние электронов по сравнению с электронным умножением и, таким образом, расширяет лавины и стриймеры. Искровые промежутки используют высокую плотность молекул газа и низкую плотность начальных электронов для стимулирования образования стриймеров. Электроны удаляются медленно нарастающим напряжением. Газ высокой плотности увеличивает пробивное поле, что позволяет использовать более короткие дуги с меньшей индуктивностью и повышает емкость между электродами. Широкий стриймер обладает меньшей индуктивностью. Газовые лазеры используют низкую плотность молекул газа и высокую плотность начальных электронов для предотвращения образования стриймеров. Электроны добавляются посредством преионизации, а не удаляются кислородом, поскольку используется азот из баллонов. Широкие лавины могут возбуждать больше молекул азота. Неупругое рассеяние нагревает молекулу, что увеличивает вероятность эмиссии электронов при втором рассеянии. Это приводит к образованию дуги. Обычно дуга возникает после генерации лазерного излучения в азоте. Стример в искровом промежутке разряжает электроды только посредством заряда изображения, поэтому, когда стриймер касается обоих электродов, большая часть заряда все еще доступна для питания дуги; дополнительный заряд накапливается на распределительных пластинах. Таким образом, образование дуги в искровом промежутке начинается до генерации лазерного излучения. Условия для импульсных лавинообразных разрядов описаны Леваттером и Лином.
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 представляет собой схему, состоящую из искрового промежутка, конденсатора и разряда через азот. Сначала заряжаются искровой промежуток и конденсатор. Затем искровой промежуток самопроизвольно пробивается, и напряжение подается на азот. Альтернативная конструкция использует два конденсатора, соединенных в виде генератора Блюмлейна. Два конденсатора соединяются таким образом, что одна пластина является общей землей, а остальные – с электродами искрового промежутка. Эти конденсаторы часто изготавливаются из одного слоя печатной платы или аналогичного стека медной фольги и тонкого диэлектрика. Конденсаторы соединены через индуктор – простую катушку с воздушным зазором. Один из конденсаторов также имеет небольшой искровой промежуток, расположенный на нем. При подаче высокого напряжения (HT) оба конденсатора заряжаются медленно, эффективно соединенных индуктором. Когда искровой промежуток достигает напряжения пробоя, он пробивается и быстро снижает напряжение на конденсаторе до нуля. Поскольку разряд происходит быстро, индуктор ведет себя как разомкнутая цепь, и, следовательно, разность потенциалов через поперечный искровой промежуток (между двумя конденсаторами) быстро возрастает, пока не произойдет пробой основного искрового промежутка, запуская лазер. При этом ничего не говорится об изменениях толщины искры. Время нарастания тока до 8×10¹⁰ А/с возможно при использовании искрового промежутка. Это хорошо согласуется с типичными временами нарастания 1×10⁻⁸ с и типичными токами 1×10³ А, наблюдаемыми в азотных лазерах. Каскад искровых промежутков позволяет использовать слабый пусковой импульс для инициирования стримера в меньшем промежутке, дождаться его перехода в дугу, а затем распространения этой дуги в больший промежуток. Однако для начала работы первого искрового промежутка в каскаде требуется наличие свободного электрона, поэтому разброс (джиттер) достаточно велик.
Возбуждение при ударе электронов
Верхний лазерный уровень эффективно возбуждается электронами с энергией более 11 эВ, оптимальная энергия – 15 эВ. Температура электронов в стримерах достигает лишь 0,7 эВ. Гелий, благодаря более высокой энергии ионизации и отсутствию вибрационных возбуждений, повышает температуру до 2,2 эВ. Более высокое напряжение увеличивает температуру. Более высокое напряжение приводит к более коротким импульсам.
Типичные устройства
Давление газа в азотном лазере изменяется от нескольких мбар до нескольких бар. Воздух обеспечивает значительно меньшую выходную энергию, чем чистый азот или смесь азота и гелия. Энергия импульса варьируется от 1 мкДж до приблизительно 1 мДж; можно достичь пиковых мощностей от 1 кВт до 3 МВт. Длительность импульса изменяется от нескольких сотен пикосекунд (при частичном давлении азота в 1 атмосферу) до около 30 наносекунд при пониженном давлении (обычно несколько десятков Торр), хотя типичные значения ширины импульса по полувысоте (FWHM) составляют от 6 до 8 нс.