Азотный лазер

Азотный лазер с картриджем с длиной волны 337 нм и энергией импульса 170 мкДж, частотой 20 Гц.

— Азотный лазер газовый лазер, работающий в ультрафиолетовом диапазоне. (обычно 337,1 нм) с использованием молекулярного азота в качестве усиливающей среды , накачиваемого электрическим разрядом.

Эффективность азотного лазера при розетке низкая, обычно 0,1% или меньше, хотя в литературе сообщалось об азотных лазерах с эффективностью до 3%. Эффективность сетевой розетки является произведением следующих трех коэффициентов эффективности:

• электрический: ТЭА лазер
• Усиливающая среда: одинакова для всех азотных лазеров и, следовательно, должна составлять не менее 3%.
  • инверсия электронным ударом составляет 10 к 1 по принципу Франка – Кондона.
  • потеря энергии на нижнем уровне лазера: 40%
• оптический: более стимулированное излучение, чем спонтанное излучение.

Усиление среднее

Усиливающей средой являются молекулы азота в газовой фазе. Азотный лазер представляет собой трехуровневый лазер . В отличие от более типичных четырехуровневых лазеров , верхний лазерный уровень азота накачивается напрямую , что не накладывает никаких ограничений на скорость накачки. Накачка обычно осуществляется прямым электронным ударом; электроны должны иметь достаточную энергию, иначе они не смогут возбудить верхний лазерный уровень. Обычно сообщаемые оптимальные значения находятся в диапазоне от 80 до 100 эВ на давление газообразного азота в Торр·см.

Верхний предел срока службы лазера составляет 40 нс при низких давлениях, и этот срок сокращается по мере увеличения давления. Время жизни составляет всего от 1 до 2 нс при 1 атмосфере. В общем

$t[\mathrm {ns} ]={\cfrac {36}{1+12.8*p[\mathrm {bar} ]}}.$

Самые сильные линии находятся на длине волны 337,1 нм в ультрафиолете . Сообщалось о других линиях на длине волны 357,6 нм, также ультрафиолетовых. Эта информация относится ко второй положительной системе молекулярного азота, которая на сегодняшний день является наиболее распространенной. Никакой вибрации двух атомов азота не происходит, поскольку расстояние между атомами не меняется при электронном переходе. Вращение угловой должно измениться, чтобы передать момент фотона, кроме того, при комнатной температуре заселяются несколько состояний вращения. Также имеются линии в дальнем красном и инфракрасном диапазонах от первой положительной системы, а также видимая синяя лазерная линия от положительного (1+) иона молекулярного азота.

Время жизни метастабильного нижнего уровня составляет 40 мкс, таким образом, лазер самозавершается обычно менее чем за 20 нс. Этот тип самозавершения иногда называют «узким местом на нижнем уровне». Это всего лишь практическое правило, как и во многих других лазерах:У гелий-неонового лазера также есть узкое место, поскольку для одного этапа распада необходимы стенки резонатора, и этот лазер обычно работает в непрерывном режиме.Несколько органических красителей со временем жизни верхних уровней менее 10 нс использовались в непрерывном режиме.Лазер Nd:YAG имеет время жизни верхнего уровня 230 мкс, однако он также поддерживает импульсы длительностью 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 того, что энергия и мощность импульса падают, когда частота повторения увеличивается до нескольких импульсов в секунду. По всей видимости, существуют также проблемы, связанные с ионами, остающимися в лазерном канале.

Можно использовать воздух , который на 78% состоит из азота, но содержание кислорода более 0,5% отравляет лазер.

Оптика

Азотные лазеры могут работать внутри полости резонатора .но из-за типичного усиления 2 на каждые 20 мм чаще срабатывают на суперлюминесценции ; только хотя обычно на одном конце помещают зеркало, чтобы выходной сигнал излучался с противоположного конца.

Для усиления шириной 10 мм объемная дифракция вступает в игру после 30 м вдоль усиливающей среды, что является неслыханной длиной. Таким образом, этому лазеру не требуется вогнутая линза или перефокусирующие линзы, а качество луча улучшается вдоль усиливающей среды. Высота накачиваемого объема может составлять всего 1 мм, поэтому уже через 0,3 м потребуется перефокусирующая линза. Простое решение — использовать закругленные электроды большого радиуса, чтобы получить квадратичный профиль накачки.

Электрический

Усиливающая среда обычно накачивается поперечным электрическим разрядом . Когда давление соответствует атмосферному давлению (или выше) , такая конфигурация называется TEA-лазером ( TEA — аббревиатура от поперечного электрического разряда в газе при атмосферном давлении ).

Микроскопическое описание быстрого разряда

В сильном внешнем электрическом поле этот электрон создает лавину электронов в направлении силовых линий электрического поля . Диффузия электронов и упругое рассеяние на молекуле буферного газа приводит к распространению лавины перпендикулярно полю. Неупругое рассеяние создает фотоны , которые создают новые лавины на расстоянии нескольких сантиметров . Через некоторое время электрический заряд в лавине становится настолько большим, что по закону Кулона создает электрическое поле, такое же большое, как внешнее электрическое поле. В областях повышенной напряженности поля лавинный эффект усиливается. Это приводит к возникновению электрических дугообразных разрядов, называемых стримерами . Смесь благородного газа (до 0,9) и азота усиливает упругое рассеяние электронов за счет электронного размножения итаким образом расширяются лавины и стримеры.

В искровых разрядниках используется высокая плотность молекул газа и низкая плотность начальных электронов, что благоприятствует стримерам. Электроны удаляются при медленно возрастающем напряжении.Газ высокой плотности увеличивает поле пробоя, поэтому можно использовать более короткие дуги с меньшей индуктивностью и увеличить емкость между электродами. Широкий стример имеет меньшую индуктивность.

Газовые лазеры используют низкую плотность молекул газа и высокую плотность начальных электронов для предотвращения появления стримеров. Электроны добавляются в результате предварительной ионизации, а не удаляются кислородом, поскольку используется азот из бутылок. Широкие лавины могут возбудить больше молекул азота.

Неупругое рассеяние нагревает молекулу, так что при втором рассеянии вероятность эмиссии электронов увеличивается. Это приводит к дуге. Обычно дуга возникает после лазерной генерации в азоте. Стример в искровом промежутке разряжает электроды только посредством заряда изображения , поэтому, когда стример касается обоих электродов, большая часть заряда все еще доступна для питания дуги; дополнительный заряд накапливается на распределительных пластинах. Таким образом, дуга в искровом промежутке начинается раньше генерации.

Условия возникновения импульсных лавинных разрядов описаны Леваттером и Линем.

Электродинамика

Схема.

Реализация поперечного разреза с низкой индуктивностью. Ошибка: Правая крышка должна быть больше.

Реализация с низкой индуктивностью, вид сверху. Ошибка: колпачки должны быть немного длиннее канала и иметь закругленные углы.

Электроника представляет собой схему, состоящую из искрового разрядника , конденсатора и разряда через азот. Сначала заряжаются разрядник и конденсатор. Затем искровой промежуток разряжается и на азот подается напряжение.

Альтернативная конструкция использует два конденсатора, соединенных как генератор Блюмляйна . Два конденсатора соединены так, что одна обкладка является общей землей, остальные соединены с электродами разрядника. Эти конденсаторы часто изготавливаются из одного слоя печатной платы или аналогичной стопки медной фольги и тонкого диэлектрика. Конденсаторы соединены через индуктор, простую катушку с воздушным зазором. Один конденсатор также имеет небольшой искровой промежуток. При применении HT два конденсатора заряжаются медленно, эффективно соединяясь индуктором. Когда искровой промежуток достигает напряжения срабатывания, он разряжается и быстро снижает напряжение конденсатора до нуля. Поскольку разряд быстрый, индуктор действует как разомкнутая цепь, и поэтому разница напряжений на поперечном искровом промежутке (между двумя конденсаторами) быстро растет, пока не разряжается основной искровой промежуток, запуская лазер.

Скорость любой схемы увеличивается в два этапа.Во-первых, индуктивность всех компонентов снижается за счет укорачивания и расширения проводников и сжатия схемы в плоский прямоугольник. Полная индуктивность представляет собой сумму составляющих:

объект	длина	толщина	ширина	ширина	индуктивность	индуктивность	индуктивность	емкость	колебание
			как катушка	как провод	измеренный	теория катушек	теория проводов	теория пластин	период
единица	м	м	м	м	НГ	НГ	НГ	нФ	нс
искровой промежуток	2×10 −2	1×10 −2	2×10 −2	1×10 −5	10	12.57	13.70	0.0004
металлическая лента	2×10 −2	2×10 −2	4×10 −2	5×10 −3		12.57	5.32	0.0004
кепка. 1	2×10 −1	4×10 −4	3×10 −1			0.34		2.6563
металлическая лента	2×10 −2	2×10 −2	3×10 −1			1.68		0.0027
лазерный канал	1×10 −2	2×10 −2	3×10 −1			0.84		0.0013
металлическая лента	2×10 −2	2×10 −2	3×10 −1			1.68		0.0027
кепка. 2	3×10 −1	4×10 −4	3×10 −1			0.50		3.9844
искра оск.						22.90		2.6563	49
диск. оск.						5.03		1.5938	18

Сообщается, что интенсивный разряд искажает показания близлежащих осциллографов. Это можно уменьшить, поместив лазер симметрично в заземленный цилиндр с разрядником внизу, лазером вверху,конденсатор 1 слева и справа, а конденсатор 2 слева и справа наложен на конденсатор 1.Это имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении индуктивности.И это имеет тот недостаток, что лазерный канал больше нельзя проверить на наличие искр.

Во-вторых, линий передачи теория и теория волноводов применяются для возбуждения бегущей волны.Измеренные импульсы азотного лазера настолько длинны, что второй шаг не имеет значения.Из этого анализа следует, что:

• торцевое зеркало и разрядник находятся на одной стороне
• длинный узкий лазер при атмосферном давлении неэффективен

Искровой разрядник

Закон Пашена гласит, что длина искрового промежутка обратно пропорциональна давлению.При фиксированном отношении длины к диаметру искры индуктивность пропорциональна длине(источник [1] ​​, сравните с: дипольная антенна ).При этом электроды разрядника приклеиваются или привариваются к диэлектрической проставке.Чтобы уменьшить опасность, связанную с давлением, объем минимизирован.Чтобы предотвратить возникновение искр за пределами пространственного кольца при низком давлении, проставка обычно утолщается наружу в S-образной форме.

Связь между разрядником и лазерным каналом на основе теории бегущей волны:

• с низкой индуктивностью Искровой разрядник можно вставить в полосковую линию передачи.
• биконический разрядник
• биконический разрядник
• биконический разрядник

Напряжение пробоя низкое для гелия, среднее для азота и высокое для _SF6 . хотя об изменении толщины искры ничего не сказано.

Время подъема до 8×10 ¹⁰ Возможны А/С с разрядником. Это хорошо соответствует типичному времени нарастания 1×10. ⁻⁸ с и типичные токи 1×10 ³ Встречается в азотных лазерах.

Каскад разрядников позволяет с помощью слабого триггерного импульса инициировать стример в меньшем зазоре, дождаться его перехода в дугу и затем распространить эту дугу в больший зазор. Тем не менее, первому искровому разряднику в каскаде для начала нужен свободный электрон, поэтому джиттер довольно высок.

Преионизация

Лавины быстро гомогенизируют разряд преимущественно вдоль силовых линий. За короткую продолжительность (<10 мс) с момента последнего лазерного импульса остается достаточно ионов, так что все лавины перекрываются также в поперечном направлении. При низком давлении (<100 кПа) максимальная плотность носителей заряда низкая и электромагнитный переход от лавины к искре тормозится.

В других случаяхУФ-излучение медленно гомогенизирует разряд перпендикулярно разряду. Их баланс можно уравновесить, поместив два линейных разряда рядом друг с другом на расстоянии 1 см друг от друга. Первый разряд происходит через меньший зазор и начинается раньше. Из-за небольшого количества начальных электронов стримеры обычно видны на расстоянии 1 мм друг от друга. Электроды первого разряда покрыты диэлектриком, ограничивающим этот разряд. Поэтому напряжение может расти дальше, пока во втором зазоре не начнутся лавины. Их так много, что они перекрываются и возбуждают каждую молекулу.

Приблизительно 11 нс генерация УФ-излучения, ионизация и захват электронов происходят в том же скоростном режиме, что и длительность импульса азотного лазера.и поэтому необходимо применять как быстрое электричество.

Возбуждение электронным ударом

Верхний лазерный уровень эффективно возбуждается электронами с энергией более 11 эВ, лучшая энергия — 15 эВ. Электронная температура в стримерах достигает лишь 0,7 эВ. Гелий за счет более высокой энергии ионизации и отсутствия колебательных возбуждений повышает температуру до 2,2 эВ. Более высокие напряжения увеличивают температуру. Более высокие напряжения означают более короткие импульсы.

Типовые устройства

Давление газа в азотном лазере колеблется от нескольких мбар до нескольких бар. Воздух обеспечивает значительно меньшую выходную энергию, чем чистый азот или смесь азота и гелия . Энергия импульса находится в диапазоне от 1 мкДж до примерно 1 мДж; Пиковая мощность может достигать от 1 кВт до 3 МВт. Длительность импульса варьируется от нескольких сотен пикосекунд (при парциальном давлении азота в 1 атмосферу) до примерно 30 наносекунд при пониженном давлении (обычно несколько десятков Торр), хотя типичная ширина импульса на полувысоте составляет от 6 до 8 нс.

Любительское строительство

Азотный лазер с поперечным разрядом уже давно стал популярным выбором для любительского домашнего строительства благодаря своей простой конструкции и простоте обращения с газом. Он был описан журналом Scientific American в 1974 году как один из первых лазерных изделий для домашнего строительства. Поскольку для этого воздушного лазера нет резонатора, устройство не является строго лазером, а использует усиленное стимулированное излучение (ASE).

Приложения

• Поперечная оптическая накачка лазеров на красителях
• измерение загрязнения воздуха ( лидар )
• Лазерная десорбция/ионизация с помощью матрицы
• Список лазерных статей

Внешние ссылки

• Страница самодельных лазеров профессора Марка Челе
• Пример прототипа TEA Laser
• Часто задаваемые вопросы о лазерах Сэма/Самодельный азотный (N2) лазер
• обновленная колонка «Ученый-любитель» на странице 122 июньского номера журнала Scientific American за 1974 год.
• Компактный мощный N2-лазер: теория схем и проектирование Адольф Шваб и Фриц Холлингер Журнал IEEE по квантовой электронике, QE-12, № 3, март 1966 г., стр.183