Oddziaływanie promieniowania laserowego - 27 -

używa się przeważnie dwóch płaskich zwierciadeł, rzadziej stosuje się rezonatory złożone z dwóch zwierciadeł sferycznych (w przypad­ku zastosowania zwierciadeł o jednakowej krzywiźnie, których osie i ogniska pokrywają się, rezonator nazywa się rezonatorem konfo-kalnym).

Rezonatory stosowane w układach laserowych (łącznie z zagadnieniami teoretycznymi) są szeroko omówione w pracach Rossa [128], Kaczmarka [83, 84], Karkowa [90] oraz w pracy [14], a ich proste schematy przedstawiono także na str. 242, 243 pracy Dubika [56].

Zależnie od sposobu pompowania układu laserowego i typu rezo­natora, lasery mogą pracować w sposób ciągły (CW) lub impulsowy. Impuls laserowy charakteryzuje się zmianą mocy promieniowania laserowego zachodzącą w niewielkim czasie. Może być otrzymywany z generatora laserowego pracującego w warunkach tzw. generacji swo­bodnej (impuls normalny), modulacji dobroci rezonatora i samosyn-chronizacji modów [83, 84, 90]. Impuls laserowy może być wycięty, to znaczy zmodyfikowany (zawężony), już poza rezonatorem. W przy­padku modulacji dobroci rezonatora otrzymuje się tak zwany impuls gigantyczny, o wiele krótszy od impulsów generacji swobodnej, otrzymywanych bez modulacji dobroci, których czas narastania zależy od czasu pompowania ośrodka laserowego. Impuls gigantyczny ma czas trwania rzędu setek nanosekund i krótszy. Moc impulsu gigantycznego osiąga wartość kilku MW do TW. Energia impulsów gigantycznych jest zwykle mniejsza niż energia impulsów normalnych - przy generacji swobodnej - dla tego samego lasera. Przykłady laserów z modulacją dobroci przedstawiono w punkcie 2.2.5.

2.2. PARAMETRY PRACY DLA POSZCZEGÓLNYCH RODZIN LASERÓW I ICH CHARAKTERYSTYKI

2.2.1. Lasery na CO (Carbon-Dioxide Lasers)

Laser na CO należy do rodziny laserów molekularnych. Jest on przykładem, jak w tej rodzinie laserów mogą być efektywnie spełnione wymagania stawiane ośrodkom czynnym laserów gazowych w celu osiągnięcia dużej mocy i wysokiej wydajności.

— 28 - Lasery jako źródło energii

Lasery z tej grupy oparte są na takim samym medium aktywnym, ale produkowane są w czterech różnych konfiguracjach o istotnie różnych cechach.

Laser na CO , a więc laser, w którym emitującym składnikiem ośrodka aktywnego jest dwutlenek węgla, zajmuje szczególne miejsce w wielkiej rodzinie laserów. Wyróżnia się on dużą wydajnością oraz możliwością wytwarzania dużych energii, może pracować w sposób ciągły (CW) lub impulsowy.

Typowy laser molekularny na CO zawiera substancję czynną złożoną z mieszaniny gazów CO , N i Hę. Azot N i hel Hę pełnią rolę pomocniczą. Mówiąc najprościej dwutlenek węgla emituje pro­mieniowanie, azot gromadzi energię, a hel depopuluje dolne poziomy laserowe. Ponadto hel ułatwia powstanie wyładowania elektrycznego i ochładza mieszaninę gazową. Inwersję wytwarza się głównie w wyładowaniu elektrycznym przy zderzeniowym przekazywaniu energii przez cząsteczki N wzbudzone elektronami wyładowania. Możliwe jest także bezpośrednie wzbudzenie wibracji 00°l cząsteczki CO podczas zderzeń z elektronami. Możliwe jest także wzbudzenie gazo-dynamiczne i wzbudzenie w wyniku przekazywania energii przez cząstki pobudzone chemicznie. Szczegółowy opis podstaw pracy lase­rów na CO można znaleźć w pracach [83,84,90]. Schemat ideowy typowego lasera molekularnego na CO przedstawiono na rys. 2.7. Jest to typowy układ laserowy ze szczelną rurą wyładowczą (sealed-tube). Typowa rura wyładowcza miała długość ~1 m i średnicę kilku centymetrów. Laser taki emitował promieniowanie o długości 10.6 firn (główna linia emisyjna) z układu rezonatora optycznego przez otwór

Rys. 2.7. Schemat lasera molekularnego z zamkniętą rurą wyładowczą: l - okno uszczelniające z kryształem NaCl, 2 - szklana rura wyładowcza, 3 - zwierciadła stalowe pokryte warstwą złota, 4 - promieniowanie laserowe

Oddziaływanie promieniowania laserowego - 29 -

o średnicy rzędu 3*4 mm w zwierciadle metalowym (otwór ten uszczelnia się kryształem NaCl, przepuszczającym promieniowanie podczerwone) albo przez zwierciadło wykonane całkowicie z czystego germanu. Typowe wielkości napięcia zasilania rury wynoszą od kilkuset V do kilku kV. Laser taki pracuje w sposób ciągły (CW). Jak już zaznaczono, zarówno wydajność jak i moc takiego lasera Molekularnego była rewelacyjnie wielka w porównaniu z laserami atomowymi lub jonowymi. Typowe moce dla tego typu laserów wynoszą 3*100 W, chłodzone są one wodą lub powietrzem, a ich czas pracy osiąga 10 000 godzin. Zim kolumny wyładowczej uzyskiwano wiązkę promieniowania podczerwonego o mocy ~50 W przy sprawności -rządzenia rzędu 15%. Podwyższenie mocy tego typu laserów molekularnych w pierwszym etapie rozwoju laserów uzyskiwano zwiększając długość rury wyładowczej do 100 m [84]. Lasery na CO z wielometrową rurą wyładowczą wytwarzają wiązkę o mocy rzędu <ilku kW przy pracy ciągłej, co pozwalało na jej wykorzystanie do obróbki materiałów. Ograniczeniem jest tutaj duża ref leksyjność powierzchni wielu materiałów (w tym metali) dla tej długości fali. lasery tego typu są wykorzystywane także do celów chirurgicznych.

Dalsze zwiększenie mocy wiązki laserowej uzyskano przez wpro­wadzenie przepływu mieszaniny gazów. Pierwszy tego typu laser opracował Patela, a schemat takiego układu przedstawiono w pracy [84].

Obecnie średniej mocy lasery na CO (dziesiątki, setki watów) są budowane w postaci względnie długich rur z wyładowaniem ••zdłużnym i wzdłużnym przepływem gazu. Ochładzanie gazu roboczego « takich konstrukcjach, zależnie od mocy, realizowane jest przy szyciu powietrza, wody (najczęściej) lub glikoli. Dla warunków -jy»iany ciepła istotne znaczenie ma przewodność cieplna materiału srlanki rury, przez którą przepływa gaz; zaleca się stosować rury : :eramiki korundowej (Al O ) lub berylowej (BeO). Dla typowych <:r.strukcji z wzdłużnym wyładowaniem i przepompowywaniem gazu czynnego moc maksymalna na jednostkę długości wynosi 50*100 W/m l •§• zależy od średnicy rury wyładowczej. Przy zachowaniu odpowied--.::.-. warunków cieplnych pracy, moc wyjściowa lasera na CO z prze-

2

.. '.-,-U.uf.nym i wzdłużnym wyładowaniem jest proporcjonalna •-•/lico do długości lasera.

Istotny postęp w powiększeniu mocy osiągnięto w 1969 r., kiedy to Tiffany, Targ i Forster [147] zaproponowali zmianę kie­runku przepływu mieszaniny gazów w stosunku do osi rezonatora optycznego (przepływ poprzeczny). Schemat takiego lasera przedsta­wiono na rys. 2.8. Dla tego typu lasera zim rury przy średnicy wiązki 40 mm otrzymali oni moc wiązki świetlnej ~1 kW. Ciśnienia cząsteczkowe składników mieszaniny roboczej wynosiły: CO - 266 Pa, Hę - 800 Pa, N_g - 1600 Pa. Ogólnie lasery z przepływem gazu osiągają moc 50 W * 15 kW pracując w reżimie ciągłym (CW) lub długimi impulsami. Stosowane średnice wiązek 5+70 mm, a sprawność 5+15 %. Czas pracy tego typu laseów wynosi kilka tysięcy godzin. Używane są do obróbki materiałów i w chirurgii.

Rys. 2.8. Molekularny laser przepływowy - przepływ substancji roboczej poprzeczny do kierunku wiązki; l wiązka promieniowania laserowego, 2 - przepływająca substancja robocza - obszar wyładowania, 3 - wymiennik ciepła (chłodnica), 4 - kanał przepływowy, 5 - układ wymuszający przepływ substancji roboczej (CO + N + Hę)

Kolejnym osiągnięciem w tej grupie laserów było wprowadzenie poprzecznego wzbudzenia iskrowego oraz zwiększenie ciśnienia w laserze do ciśnienia atmosferycznego. Lasery takie nazwano lasera­mi TEA (Transversally Exited Atmospheric). Te impulsowe lasery emitują promieniowanie w zakresie 9+11 im lub 10.6 firn, energie impulsów wynoszą 0.03+70 J, a ich czasy 50 ns+70 p.s (zależnie od składu mieszanki). Lasery TEA na CO są chłodzone wodą lub powiet­rzem i przy niewielkich wymiarach są bardzo dogodnymi przyrządami laboratoryjnymi. Lasery te mają charakterystyczny kształt impulsu (rys. 2.9). Dla czasów dłuższych niż 100 ns azot, działający jako stosunkowo bezwładny zasobnik energii, prowadzi do wydłużenia impulsu, zakłócenia monotoniczności jego tylnej części. Pojawia

Rys. 2.9. Typowy kształt impulsu promieniowania lasera TEA na CO

się wtórne rozpłaszczone maksimum. Zwykle pierwszy pik zawiera od 1/3 do 1/2 całkowitej energii impulsu. Lasery tego typu mają sprawność 1+17 % i pozwalają na oddanie milionów strzałów.

Jako kolejną grupę laserów na CO można wymienić lasery gazo-dynamiczne. W przypadku tych laserów źródłem energii promieniowa­nia Jest energia wewnętrzna gazu molekularnego, ogrzanego równowagowe do wysokiej temperatury. Podczas szybkiego ochładzania gazu pojawia się inwersja w wyniku procesów relaksacji oscylacyj­nej. Lasery te szerzej omówione są w pracach [79,80,86].

2.2.2. Lasery chemiczne

Lasery, w których inwersja obsadzeń (w ośrodku aktywnym) jest wytwarzana wskutek nierównowagowego rozkładu obsadzeń wyzwolonej energii pomiędzy produkty reakcji chemicznej, są nazywane laserami chemicznymi. Reakcja chemiczna prowadzi w tego typu układach do powstania znacznej liczby swobodnych, wzbudzonych atomów lub cząstek. Ten typ mechanizmu wzbudzania daje duże szansę uzyskania stanu inwersji obsadzeń między poziomami atomowymi lub moleku­larnymi. Inaczej mówiąc emisja lasera chemicznego jest prostym i bezpośrednim wynikiem reakcji chemicznej, a nie jakiegoś ubocznego działania reakcji chemicznej (np. nagrzewania czy gwałtownego wzrostu ciśnienia jak w laserach gazodynamicznych).

Emisja lasera chemicznego jest efektem odwrotnym do efektu

fotochemicznego, w którym reakcja chemiczna powstaje jako prosty i bezpośredni skutek pochłaniania fotonów przez atomy lub cząsteczki, a nie jako wynik jakiegoś ubocznego działania światła, np. rozgrzania reagentów przy pochłanianiu światła. W laserach chemicznych mogą być oczywiście wykorzystane tylko reakcje egzo­termiczne. Zainteresowanie iaserami chemicznymi wynika stąd, że w wielu egzotermicznych reakcjach chemicznych z jednostkowej masy reagentów wydzielają się znaczne ilości energii (patrz p. 8).

Pierwszy laser chemiczny uruchomili w roku 1965 Kasper i Pimental na podstawie reakcji o następującym przebiegu:

H + C1₂ > HC1* + Cl,

gdzie gwiazdka oznacza cząsteczkę wzbudzoną. Reakcję inicjowano za pomocą fotolizy. Otrzymano impulsy świetlne o czasie trwania ok. 10 fis i energii 0,02 J. W ciągu następnych lat budowano szereg la­serów chemicznych wykorzystujących różne cząstki wzbudzone.

Lasery chemiczne mogą pracować zarówno w sposób ciągły jak i impulsowy. W przypadku pracy impulsowej reakcję chemiczną wywołuje się błyskiem silnej lampy lub przez odpowiednie wyładowanie ele­ktryczne. Dla uzyskania pracy ciągłej do komory lasera wtłacza się substraty, które w obecności np. ciągłego wyładowania elektryczne­go (lub spalania paliwa) reagują ze sobą wyzwalając znaczne ilości energii, a więc wytwarzając cząsteczki wzbudzone. Pierwsze lasery chemiczne pozwalały przy pracy impulsowej na uzyskiwanie energii rzędu setnych dżula, a przy pracy ciągłej moc wiązki wynosiła kilka watów. Schemat układu lasera chemicznego przedstawiono na rys. 2.10.

Najogólniej zasadę działania lasera chemicznego opisuje reakcja chemiczna typu:

A + BC < •> AB + C + AE,

*

gdzie AB oznacza cząstkę wzbudzoną, a AE energię reakcji. W wyni­ku reakcji chemicznej uzyskuje się w ogólnym przypadku wzbudzone stany elektronowe, oscylacyjne i rotacyjne cząstek. Rozkład ener­gii w cząsteczkach otrzymanych w wyniku reakcji chemicznych oraz procesy relaksacyjne są kryteriami wyboru danego układu chemiczne­go. Zasadniczym warunkiem jest, aby przyrost liczby cząstek w wyższych stanach energetycznych przewyższał wzrost obsadzenia niż-

	-j-i				4
7 1	•M	1	,.	^1	•1	r

Rys. 2.10. Schemat układu lasera chemicznego; Z i Z zwierciadła

szych stanów energetycznych. Czas życia cząstek wzbudzonych nie powinien być krótki w porównaniu z czasem przebiegu reakcji. W dziedzinie laserów chemicznych najważniejszym problemem jest wybór reakcji chemicznej pozwalającej wytworzyć odpowiednią inwersję pożądane jest otrzymywanie produktów reakcji w postaci prostych :ząstek AB - w innych przypadkach komplikują się procesy relak­sacji).

Jeżeli stan wyjściowy substancji lasera chemicznego jest setastabilny, to reakcję chemiczną inicjuje się wyładowaniem elek­trycznym, błyskiem silnej lampy, wiązką elektronów lub nawet eks­plozją. Najczęściej wykorzystywane jest zjawisko fotolizy [79, 80,

2.2.3. Lasery na parach metali

Są to lasery gazowe (jonowe lub atomowe), w których ośrodkiem ijctywnym są pary metali. Dotychczas uzyskano generację dla ponad l metali, w tym miedzi, kadmu, selenu, cynku. Pobudzenie par me­tali w tych laserach odbywa się przez wzbudzenie atomów gazu bufo--;wego, które oddając energię parom metali powodują właściwą in--ersję obsadzeń. Jako gaz buforowy stosowany jest np. hel. Moce szczytowe promieniowania dochodzą do kilkuset watów. Lasery te •..ga. pracować na fali ciągłej oraz impulsowo w szerokim przestra-zakresie długości fal (np. laser na parach selenu). Lasery typu ogólnie mogą być stosowane w medycynie, spektroskopii, re materiałów oraz do pobudzania innych laserów. Najbardziej i.-, ar. v to laser omówiony niżej.

Laser hęlowo-kadmowy (na parach kadmu) (Helium-Cadmium La­ser). Generacja następuje na długościach fal 0.442 /zm lub 0.325 firn. Typowe moce 2+40 mW dla promieniowania widzialnego i 1.5+10 mW dla promieniowania ultrafioletowego. Ośrodkiem czynnym są zjonizo-wane pary kadmu zmieszane z helem w zamkniętej rurze laserowej. Do pracy lasera niezbędny jest grzejnik do odparowania kadmu oraz źródło wysokiego napięcia stałego. Typowa sprawność wynosi 0.1%, waga lO-f-20 kg, czas pracy 2000-«-4000 h, średnica wiązki 0.3*1.2 nm [22]. Dla rury wyładowczej o średnicy 2+2.5 mm i długości 1+1,5 m, przy ciśnieniu helu rzędu kilku hPa, osiąga się moce wyjściowe 100+200 mW na fali 325 nm. Dla lasera tego typu wystarcza chłodzenie powietrzem. Typowe zastosowanie to spektroskop, reje­strator przebiegów. Ceny tego typu laserów wynoszą 3000+10000 f.

Laser miedziowy (laser na parach miedzi) (Copper Yapor La­ser). Laser impulsowy, w którym ośrodkiem aktywnym są pary miedzi lub związki miedzi z chlorem, bromem. Generacja występuje na długościach fal 0.578 i 0.510 pm. Inwersję w ośrodku aktywnym uzyskuje się przez wyładowanie elektryczne w mieszaninie par mie­dzi ł gazu buforowego. Lasery te charakteryzują się wysoką spraw­nością, należą one do grupy laserów na przejściach samoograniczo-nych [86]. Laser ten wymaga ogrzania miedzi aż do uzyskania jej par. Jest używany najczęściej do pompowania laserów barwnikowych dużej mocy. Dla laserów tego typu moc generacji dla długości fali 510.5 nm (linia zielona) jest wielokrotnie większa niż dla długości fali 578.2 nm. Długość impulsu wynosi 5+10 ns, moc szczy­towa 200 kW. Dla częstotliwości repetycji 20 kHz osiąga się średnią moc 40+50 'W przy sprawności 1%. Dane te odpowiadają długości rury wyładowczej 80+100 cm, średnicy 15+25 mm i tempera­turom 1873+1973 K [86].

2.2.4.'Lasery półprzewodnikowe

W laserach tego typu światło jest emitowane w złączu p-n dio­dy półprzewodnikowej. Długość fali emitowanej zależy od składu półprzewodników (III-Y grupa, II-YI grupa), charakterystyki pracy zależą od domieszkowania półprzewodników (domieszki donorowe i akceptorowe), struktury układu, jak również składu [13,93].

---