Войти
Патронный азотный лазер с длиной волны 337 нм и энергией импульса 170 мкДж 20 Гц A азотный лазер - это газ лазер, работающий в ультрафиолетовом диапазоне (обычно 337,1 нм) с использованием молекулярного азота в качестве усиливающей среды, накачиваемый электрическим разряд.
Эффективность заглушки азотного лазера низкая, обычно 0,1% или меньше, хотя в литературе сообщалось о азотных лазерах с эффективностью до 3%. Эффективность сетевой розетки является продуктом следующих трех значений:
Среднее усиление равно молекулы азота в газовой фазе. Азотный лазер - это трехуровневый лазер. В отличие от более типичных четырехуровневых лазеров, верхний лазерный уровень азота накачивается непосредственно , не накладывая 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 газообразного азота.
Существует верхний предел срока службы лазера 40 нс при низких давлениях, и срок службы сокращается с увеличением давления. Срок службы составляет всего 1-2 нс при 1 атмосфере. В целом
![t [{\ mathrm {ns}}] = {\ cfrac {36} {1 + 12,8 * p [{\ mathrm {bar}}]}}.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3a227f77678db0b07db2f03ac83437bc5568038a)
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 является наиболее распространенной. Никаких колебаний двух атомов азота не происходит, поскольку расстояние атом-атом не изменяется при электронном переходе. Вращение необходимо изменить, чтобы передать угловой момент фотона, кроме того, при комнатной температуре заселяются множественные вращательные состояния. Есть также линии в дальнем красном и инфракрасном диапазоне от первой положительной системы, а также видимая синяя лазерная линия от положительного (1+) иона молекулярного азота.
Срок службы метастабильного нижнего уровня составляет 40 мкс, таким образом, лазер самозаканчивается, обычно менее чем за 20 нс. Этот тип самоограничения иногда называют «узким местом на нижнем уровне». Это всего лишь практическое правило, которое наблюдается во многих других лазерах: гелий-неоновый лазер также имеет узкое место, поскольку для одного шага распада нужны стенки резонатора, и этот лазер обычно работает в непрерывном режиме. Несколько органических красителей со временем жизни верхнего уровня менее 10 нс использовались в непрерывном режиме. Лазер Nd: YAG имеет срок службы верхнего уровня 230 мкс, но он также поддерживает импульсы 100 пс.
Частота повторения может достигать нескольких кГц при условии обеспечения надлежащего потока газа и охлаждения конструкции. Холодный азот - лучшая среда, чем горячий азот, и это, по-видимому, является одной из причин того, что энергия и мощность импульса падают с увеличением частоты следования до нескольких импульсов в секунду. Есть также, по-видимому, проблемы с ионами, остающимися в лазерном канале.
Воздух, который на 78% состоит из азота, можно использовать, но более 0,5% кислорода отравляет лазер.
Азотные лазеры могут работать в резонаторной полости, но из-за типичного усиления 2 на каждые 20 мм они чаще работают с суперлюминесценцией один; хотя обычно на одном конце ставят зеркало так, чтобы выходной сигнал выходил с противоположного конца.
Для объема усиления шириной 10 мм дифракция вступает в игру после 30 м вдоль усиливающей среды, длина которой неслыханная. Таким образом, этому лазеру не нужны вогнутые линзы или перефокусирующие линзы, а качество луча улучшается по мере увеличения среды. Высота перекачиваемого объема может составлять всего 1 мм, при этом потребуется перефокусирующая линза уже через 0,3 м. Простое решение - использовать закругленные электроды с большим радиусом, чтобы получить квадратный профиль насоса.
Усиливающая среда обычно накачивается поперечным электрическим разрядом. Когда давление равно (или выше) атмосферное давление, конфигурация называется TEA-лазером (TEA является аббревиатурой от поперечного электрического разряда в газе при атмосферном давлении).
В сильном внешнем электрическом поле этот электрон создает электронную лавину в направлении линий электрического поля. Диффузия электронов и упругое рассеяние на молекуле буферного газа распространяет лавину перпендикулярно полю. Неупругое рассеяние создает фотоны, которые создают новые лавины на расстоянии сантиметров. Через некоторое время электрический заряд в лавине становится настолько большим, что, следуя закону Кулона, он генерирует электрическое поле величиной с внешнее электрическое поле. В областях повышенной напряженности поля лавинный эффект усиливается. Это приводит к дуговым разрядам, называемым стримерами. Смесь благородного газа (до 0,9) и азота усиливает упругое рассеяние электронов над размножением электронов и, таким образом, расширяет лавины и стримеры.
Искровые промежутки используют высокую плотность газа молекул и низкую плотность исходных электронов, что способствует использованию стримеров. Электроны удаляются медленно возрастающим напряжением. Газ с высокой плотностью увеличивает поле пробоя, поэтому можно использовать более короткие дуги с меньшей индуктивностью, а емкость между электродами увеличивается. Широкая коса имеет меньшую индуктивность.
Газовые лазеры используют низкую плотность молекул газа и высокую плотность исходных электронов для предотвращения образования стримеров. Электроны добавляются путем предварительной ионизации, а не удаляются кислородом, поскольку используется азот из бутылок. Широкие лавины могут возбудить большее количество молекул азота.
Неупругое рассеяние нагревает молекулу, так что при втором рассеянии вероятность эмиссии электронов увеличивается. Это приводит к дуге. Обычно искрение возникает после генерации в азоте. Стример в искровом промежутке разряжает электроды только посредством заряда изображения, таким образом, когда стример касается обоих электродов, большая часть заряда остается доступной для питания дуги; дополнительная зарядка хранится на распределительных плитах. Таким образом, искрение в искровом промежутке начинается до генерации.
Условия для импульсных лавинных разрядов описаны Levatter and Lin.
Circuit. 
Поперечный разрез реализации с низкой индуктивностью. Ошибка: правая крышка должна быть больше. 
Вид сверху на реализацию с низкой индуктивностью. 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.
В альтернативной конструкции используются два конденсатора, соединенные как генератор Блюмлейна. Два конденсатора соединены так, что одна пластина является общей землей, а остальные подключены к электродам разрядника. Эти конденсаторы часто состоят из однослойной печатной платы или аналогичного пакета из медной фольги и тонкого диэлектрика. Конденсаторы связаны через индуктор, простую катушку с воздушным разнесением. Один конденсатор также имеет небольшой искровой разрядник. Когда применяется HT, два конденсатора заряжаются медленно, эффективно связанные индуктором. Когда разрядник достигает своего напряжения срабатывания, он разряжается и быстро снижает напряжение конденсатора до нуля. Поскольку разряд является быстрым, индуктор действует как разомкнутая цепь, и поэтому разница напряжений на поперечном искровом промежутке (между двумя конденсаторами) быстро возрастает, пока основной искровой промежуток не разрядится, запуская лазер.
Скорость любой схемы увеличивается в два этапа. Во-первых, индуктивность всех компонентов уменьшается за счет укорачивания и расширения проводников, а также за счет сжатия схемы в плоский прямоугольник. Полная индуктивность складывается из следующих компонентов:
| объект | длина | толщина | ширина | ширина | индуктивность | индуктивность | индуктивность | емкость | колебание |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| в виде катушки | в виде провода | измерено | теория катушек | теория проводов | теория пластин | период | |||
| единица | m | m | m | m | nH | nH | nH | nF | нс |
| искровой разрядник | 2 × 10 | 1x10 | 2x10 | 1x10 | 10 | 12.57 | 13.70 | 0,0004 | |
| металлическая лента | 2 × 10 | 2 × 10 | 4 × 10 | 5 × 10 | 12,57 | 5,32 | 0,0004 | ||
| кап. 1 | 2 × 10 | 4 × 10 | 3 × 10 | 0,34 | 2,6563 | ||||
| металлическая лента | 2 × 10 | 2 × 10 | 3 × 10 | 1,68 | 0,0027 | ||||
| лазерный канал | 1 × 10 | 2 × 10 | 3 × 10 | 0,84 | 0,0013 | ||||
| металлическая лента | 2 × 10 | 2 × 10 | 3 × 10 | 1,68 | 0,0027 | ||||
| кап. 2 | 3 × 10 | 4 × 10 | 3 × 10 | 0,50 | 3,9844 | ||||
| искровая осцилляция | 22,90 | 2,6563 | 49 | ||||||
| расч. osc. | 5,03 | 1,5938 | 18 |
Сообщается, что интенсивный разряд искажает расположенные поблизости осциллографы. Это можно уменьшить, построив лазер симметрично в заземленном цилиндре с искровым разрядником внизу, лазером вверху, конденсатором 1 слева и справа и конденсатором 2 слева и справа, установленными на конденсаторе 1. Это имеет еще одно преимущество: уменьшение индуктивности. И это имеет тот недостаток, что лазерный канал больше нельзя проверить на наличие искр.
Во-вторых, теория линии передачи и теория волновода применяются для достижения возбуждения бегущей волны. Измеряемые импульсы азотного лазера настолько длинные, что второй шаг не важен. Из этого анализа следует, что:
закон Пашена утверждает, что длина искрового промежутка обратно пропорциональна давлению. Для фиксированного отношения длины к диаметру искры индуктивность пропорциональна длине (источник [1], сравните с: дипольной антенной ). Таким образом, электроды разрядника приклеиваются или привариваются к диэлектрической прокладке. Чтобы уменьшить опасность из-за давления, объем сведен к минимуму. Для предотвращения искр за пределами пространственного кольца при низком давлении прокладка обычно становится толще снаружи и имеет s-образную форму.
Соединение между искровым разрядником и лазерным каналом на основе теории бегущей волны:
Напряжение пробоя низкое для гелия, среднее для азота и высокое для SF 6, хотя ничего не сказано об изменениях толщины искры.
Время нарастания до 8 × 10 А / с возможно с искровым разрядником. Это хорошо соответствует типичному времени нарастания 1 × 10 с и типичным токам 1 × 10 А, имеющимся в азотных лазерах.
Каскад искровых промежутков позволяет использовать слабый пусковой импульс для запуска стримера в меньшем промежутке, ожидания его перехода в дугу, а затем для распространения этой дуги в больший промежуток. Тем не менее, первый искровой разрядник в каскаде нуждается в свободном электроне, поэтому джиттер довольно высок.
Лавины быстро гомогенизируют разряд в основном вдоль силовых линий. Кратковременный (<10 ms) since the last laser pulse enough ions are left over so that all avalanches overlap also laterally. With low pressure (<100 kPa) the max charge carrier density is low and the electromagnetic driven transition from avalanche to spark is inhibited.
В других случаях УФ-излучение гомогенизирует разряд, медленно перпендикулярный разряду. Они уравновешиваются размещением двух линейных разрядов рядом друг с другом на расстоянии 1 см. Первый разряд проходит через меньший Из-за небольшого количества начальных электронов видны стримеры обычно на расстоянии 1 мм. Электроды для первого разряда покрыты диэлектриком, который ограничивает этот разряд. Таким образом, напряжение может расти дальше, пока не начнутся лавины. во втором промежутке. Их так много, что они перекрываются и возбуждают каждую молекулу.
При примерно 11 нс генерация УФ-излучения, ионизация и захват электронов находятся в таком же режиме скорости, что и длительность импульса азотного лазера, и, следовательно,
Верхний лазерный уровень эффективно возбуждается электронами с энергией более 11 эВ, оптимальная энергия - 15 эВ. Температура электронов в стримерах только г достигает 0,7 эВ. Гелий из-за своей более высокой энергии ионизации и отсутствия колебательных возбуждений увеличивает температуру до 2,2 эВ. Более высокое напряжение увеличивает температуру. Более высокое напряжение означает более короткие импульсы.
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 мкДж97 до примерно 1 мДж; пиковая мощность может составлять от 1 кВт до 3 МВт. Длительность импульса варьируется от нескольких сотен пикосекунд (при парциальном давлении 1 атмосферы азота) до примерно 30 наносекунд при пониженном давлении (обычно несколько десятков торр), хотя ширина импульса FWHM составляет от 6 до Обычно 8 нс.
Азотный лазер с поперечным разрядом долгое время был популярным выбором для любительского строительства дома благодаря своей простой конструкции и простому обращению с газом. Он был описан Scientific American в 1974 году как одно из первых лазерных изделий для строительства дома. Поскольку для этого воздушного лазера нет резонатора, устройство не является строго лазером, но использует усиленное вынужденное излучение (ASE).
