26. Понятие метастабильный газ.

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ квантовых систем возбуждённое энергетич. состояние ат. систем (атомов, молекул, ат. ядер), в к-ром они могут существовать длит. время (квазистабильны). Метастабильными явл. такие возбуждённые состояния, квантовые переходи из к-рых в состояния с меньшей энергией, сопровождающиеся излучением (испусканием фотонов), запрещены отбора правилами (точными или приближёнными) и, следовательно, либо совсем не могут происходить, либо маловероятны. Мера метастабильности состояния — его время жизни t=1/A, где А — полная вероятность перехода из данного состояния во все состояния с меньшей энергией. В предельном случае строго запрещённых переходов А=0, t=? и состояние стабильно. Обычно времена жизни для М. с. атомов и молекул составляют от долей секунды до неск. секунд.

Атомы и молекулы в М. с. играют важную роль в элем. процессах. В разреж. газах энергия возбуждения может длит. время сохраняться ч-цами в М. с. и затем передаваться др. ч-цам при столкновениях, что вызывает послесвечение. 

27. Газовые лазеры.

Газовые лазеры наиболее часто используются в области научных исследований, в промышленности (лазерная резка, сверление, сварка и др.) и медицине. В этих лазерах в качестве активной среды преимущественно применяются возбужденные электрическим током газы или пары (нейтральные атомы или молекулы, ионы атомов или молекул).

Характеристики газовых лазеров можно изменять различными способами: 1) варьируя большое количество газов или смесей газов; 2) путем изменения параметров газа (давление, температура, состав газа); 3) с помощью различных способов возбуждения; 4) с помощью соответствующего конструктивного исполнения.

По сравнению с другими типами (твердотельными, полупроводниковыми и лазерами на красителях) газовые лазеры характеризуются следующими специфическими свойствами.

Как правило, из-за низких давлений газа в активной среде (10?104 Па) необходимы существенно большие длины усиления, чем, например, в полупроводниковых лазерах, и тем самым более значительные размеры.

Активные среды газовых лазеров однородны и не имеют потерь, так что достижимо более высокое качество пучка лазерного излучения.

Путем быстрой замены газа можно легко отвести выделяющееся тепло, так что достижимы высокие мощности в непрерывном режиме работы.

Возможны более высокие абсолютные точности и стабильности частоты.

Имеется большое число частот газового лазера от вакуумного УФ-диапазона (примерно 100 нм) до диапазона СВЧ (около 2 мм).

Инверсия заселенностей в газах образуется путем возбуждения верхнего лазерного уровня и (или) опустошения нижнего лазерного уровня.

Инверсную заселенность получить тем легче, чем больше (среднее) время жизни верхнего уровня и чем меньше время жизни нижнего уровня.

Возбуждения газа, пара или смеси газов для создания инверсии заселённостей происходит в электрическом газовом разряде (наиболее часто используемый способ), в большинстве случаев в аксиальном, реже также в поперечном разряде постоянного тока с разрядными токами при непрерывном возбуждении от нескольких миллиампер до 100 А или импульсном возбуждении от 100 до 1000 А; с помощью релятивистских электронных пучков; с помощью оптической накачки; с помощью химических реакций; с помощью фотодиссоциации.

Активная среда находится в пределах лазерной трубки 1 (рис. 1), длина зоны возбуждения достигает от нескольких сантиметров до 200 м (типичные значения 0,3?1,5 м), а диаметр лазерной трубки 0,1?50 см (типичные значения 0,1?2 см).

Рис. 1 – Конструкция газового лазера: 1 – лазерная трубка (длина активной зоны I, диаметр d), закрытая окнами, установленными под углом Брюстера; 2 – зеркало лазерного резонатора (полностью отражающее); 3 – зеркало лазерного резонатора; 4 – источник питания; 5 – смесь газов

Наполнение газа стационарное (у большинства лазеров используются отпаянные трубки).

Охлаждение газа, т.е. отвод тепловых потерь, происходит с помощью: 1) воздушного охлаждения при незначительной мощности; 2) водяного охлаждения при средней и высокой мощности; 3) быстрой замены газа при очень высокой мощности лазерного излучения.

Обратная связь, необходимая для генерации излучения, усиливаемого в активной среде, создается лазерным резонатором. В простейшем случае лазерный резонатор состоит из двух зеркал. Следует различать резонаторы с внешними и внутренними зеркалами.

В резонаторе с внешними зеркалами лазерная трубка заканчивается окнами, которые обладают, во-первых, низкими потерями на частоте лазерного излучения и, во-вторых, для устранения потерь при отражении расположены под углом Брюстера относительно оси пучка. Благодаря этому излучение становится линейно поляризованным.

У лазера с внутренними лазерными зеркалами они закрывают лазерную трубку вместо окон. Излучение при этом неполяризовано.

По сравнению с твердотельным лазером газовый лазер благодаря лучшей однородности активной среды и более узкой ширине линии имеет более высокие параметры излучения относительно длины когерентности, стабильности интенсивности излучения, расходимости пучка и однородности по поперечному сечению.

Спектральные свойства лазерного излучения в основном определяются сильным неоднородным (доплеровским) уширением.

Неоднородное уширение приводит к тому, что газовый лазер без дополнительных мер (частотно-селективные элементы внутри резонатора, маленькая длина резонатора) излучает на большом числе частот собственных мод, и в результате образуется спектрально относительно широкая линия.

При увеличении однородной ширины в газовых лазерах может происходить заметная конкуренция мод, что может оказывать существенное влияние на спектральные свойства.

Из газовых лазеров для обработки материалов (сварка лазерным излучением,лазерная резка металла и др.) наиболее приемлемыми оказались лазеры на углекислом газе, на инертном газе и на парах металлов.

Лазер на углекислом газе (СО₂-лазер) работает в средней ИК-области спектра в непрерывном и импульсном режимах. С помощью СО2-лазеров достигается максимальная непрерывная мощность лазерного излучения. Достижимы энергии в импульсе как у твердотельных лазеров, однако при более высокой частоте следования импульсов. Его высокий КПД (больше 20 %) превышает КПД почти всех других лазеров.

СО2-лазер – это наиболее часто применяемый промышленный технологический лазер. Он применяется для обработки материала (лазерная резка металла, сварка и др.), улучшения поверхности, превращения вещества (лазерная химия, разделение изотопов, очистка материала), в спектроскопии, лазерной хирургии и в управляемом лазерном термоядерном синтезе.

Ионные лазеры на инертном газе – мощные непрерывные лазеры в видимой области спектра с выходной мощностью 0,5-20 Вт. Они генерируют лазерное излучение на многочисленных длинах волн от УФ- до ближней ИК-области спектра. КПД ионных лазеров достигает примерно 0,1 %. Большое значение имеют ионный аргоновый лазер, ионный криптоновый лазер, а также лазер на смеси газов с аргоновым и криптоновым наполнением. Эти лазеры применяются в качестве источника света накачки для лазеров на красителях, в голографии, измерительной технике, при обработке данных и записи в память, телевизионной технике (дисплей), диагностике плазмы, в медицине и обработке материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка и др.).

Лазеры на парах металлов генерируют на большом числе волн в видимой области спектра. Непрерывно работающие лазеры на парах металлов (важнейшими лазерами этого типа являются He-Cd- и He-Se-лазеры) по своим энергетическим параметрам в основном соответствуют He-Ne-лазеру. Часть лазеров на парах металлов работает только в импульсном режиме – важнейшим представителем этого класса лазеров является Не-Сu-лазер. Длительность лазерного импульса составляет несколько 100 нс, а импульсная мощность не превышает 500 кВт.

Лазеры на парах металлов применяются в репродукционной технике, проекционной микроскопии, при обработке материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка и др.), в голографии, при возбуждении излучения флуоресценции в спектроскопии, в качестве контрольного света для медицинских целей, а также в качестве источника света накачки для лазеров на красителях.

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Гелий-неоновый лазер	632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм)	Электрический разряд	Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.
Аргоновый лазер	488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм)	Электрический разряд	Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.
Криптоновыйлазер	416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм	Электрический разряд	Научные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу.
Ксеноновыйлазер	Множество спектральных линий по всему видимому спектру и частично в УФ и ИКобластях.	Электрический разряд	Научные исследования.
Азотный лазер	337,1 нм (316; 357 нм)	Электрический разряд	Накачка лазеров на красителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры.
Лазер нафтористом водороде	2,7—2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6—4,2 мкм (фторид дейтерия)	Химическая реакция горенияэтилена и трёхфтористого азота(NF3) инициируемая электрическим разрядом (импульсный режим)	Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей и в импульсном режиме в области тераваттных мощностей. Один из самых мощных лазеров. Лазерные вооружения. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС).
Химический лазер на кислороде и иоде (COIL)	1,315 мкм	Химическая реакция в пламенисинглетного кислорода и иода	Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей. Так же создан и импульсный вариант. Научные исследования, лазерные вооружения. Обработка материалов. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). В перспективе: источник накачки неодимовых лазеров и рентгеновских лазерных систем.
Углекислотный лазер (CO2)	10,6 мкм, (9,6 мкм)	Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд, химическая реакция (DF-CO2 лазер)	Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.
Лазер на монооксиде углерода (CO)	2,5—4,2 мкм, 4,8—8,3 мкм	Электрический разряд; химическая реакция	Обработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.
Эксимерный лазер	193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)	Рекомбинация эксимерных молекул при электрическом разряде	Ультрафиолетовая литография в полупроводниковой промышленности, лазерная хирургия, коррекция зрения.