ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.03.2024
Просмотров: 64
Скачиваний: 0
Helium-Cadmium Laser. The cw He-Cd laser, operating at 441.6 and 325.0 nm, is probably the best known and most widely used metal vapor laser. The blue transition3 is the shortest-wavelength visible laser available commercially, and the 325.0-nm uv laser was the shortest-wavelength cw uv laser for many years (until a number of transitions in the 200 to 300-nm region were developed in Ar2+ and Ar3+ by operating those lasers at very high currents and by improving the quality of the cavity mirrors). A number of other laser transitions have also been developed in the helium-cadmium discharge. The most significant of these are the transitions at 537.8 and 533.7 nm in the green and at 636.0 nm in the red. These transitions operate most effectively under different plasma conditions than the blue and uv lasers and generally are optimized with a different type of discharge tube, known as a hollow cathode tube. When all of these blue, green, and red transitions are made to lase simultaneously, the resultant output is a white light laser which for many years was investigated for use in color copying systems.
The blue and uv lasers are operated primarily in a positive column type of dc discharge at currents in the range of 60 to 70 mA in a 1 to 2-mm-bore glass discharge tube. The operation of these lasers is more like that of the He-Ne laser than the noble gas ion lasers. A relatively low current and relatively high gas pressure are required and, therefore, in most lasers no supplemental cooling requirements are necessary. Some models do, however, use a small cooling fan. Typical bore lengths are of the order of 25 to 30 cm with a voltage drop from anode to cathode of over 1000 V. The laser tube is filled with helium gas at a pressure of approximately 5 to 7 Torr and the Cd is fed into the discharge from a side reservoir by a process known as cataphoresis. In this process Cd is vaporized at the anode end of the tube and migrates toward the cathode, where it recondenses in an unheated region of the glass tube. The cataphoresis effect results from the relatively high degree of ionization of Cd in the discharge (primarily Cd+) and the force the electric field within the plasma exerts upon those ions, thereby pulling them toward the cathode. A few grams of Cd are sufficient to provide up to 5000 h of continuous operation of the laser.
The single-mode blue laser power is typically 15 to 20 mW for the 25 to 30-cm-long discharge. Each laser tube is fitted with a He reservoir in order to replace the helium that is gradually lost, both by diffusion through the tube walls and also by being captured as the Cd condenses in the unheated cathode regions. The He pressure is electronically monitored and adjusted for optimum laser output.
Higher-power versions of this laser are developed by connecting two of the smaller tubes together to share a common cathode, effectively doubling the gain length and thereby sig nificantly increasing the available power. Such tubes offer cw powers of the order of 75 to 100 mW at 441.6 nm.
The blue and uv transitions in Cd are somewhat unique spectroscopically, when compared with other laser transitions, because they involve an inner shell electronic configuration. The upper laser level configuration is 4d95s2 whereas the lower laser level is 4d105p. Consequently when electronic transitions occur between these levels, two electrons must change their momentum state, with one 5s electron jumping to fill the 4d shell and the other changing to 5p. Such a transition is therefore less likely to occur than a more typical visible electronic transition that requires only one electron change. These specific Cd+ transitions have a relatively long radiative lifetime (—700 ns) and a relatively low stimulated-emission cross section of 4 X 10-14cm2. The gain coefficient at 441.6 nm is typically 0.0003 cm, which is significantly higher than that of the He-Ne laser.
The unique electronic configuration for these transitions also leads to a large isotope spectral shift at 441.6 nm for different Cd isotopes. Naturally occurring metallic Cd is composed of several isotopes, and the isotope shift between adjacent even isotopes is of the order of the Doppler width (1.1 GHz). The most abundant isotopes are Cd 110 (12 percent), Cd 111(13 percent), Cd 112 (24 percent), Cd 113 (12 percent), Cd 114 (29 percent), and Cd 116 (8 percent). Consequently, since most lasers typically use naturally occurring Cd, the spectral output of the laser is significantly broader than just the Doppler width of a single isotope. Often only the two strongest isotopes, Cd 112 and Cd 114, are involved in the laser output, which provides a combined bandwidth of 2.6 GHz for the gain medium.
The unique electronic configuration also leads to unique excitation mechanisms, as indicated in Fig. 4.5. Several have been identified for these laser transitions. The first mechanism identified is a process known as Penning ionization in which highly excited (usually metastable) helium atoms transfer their energy to Cd, in a way similar to the operation of the He-Ne laser. However, in the case of Cd, ions are produced by the process, instead of excited neutral atoms as in the case of neon, owing to the much lower ionization potential of Cd than of Ne. In Cd, the ejected electron in the ionization process takes up the excess energy mismatch between the initially excited He atom and the resulting Cd+ ionized level. This collisional transfer process is particularly enhanced in Cd since only a single d electron has to be removed from the Cd neutral ground state (4d105s2) during the collision to result in the population of the Cd+ upper laser level (4d95s2).
The second mechanism is a two-step electron collisional excitation where the first electron collision produces Cd+ ion ground states and the second electron collision produces the Cd+ upper laser level (similar to the Ar+ excitation). The two-step electron ionization and the Penning process are the major excitation mechanisms for the conventional He-Cd laser. There is still some question as to which process dominates under various conditions of operation.
The third mechanism, more recently identified, is the photoionization of the Cd atom using very-short-wavelength photons (soft x-rays). For example, when Cd vapor at a pressure of the order of 1 Torr is irradiated with photons of wavelengths ranging from 10 to 70 nm, those photons will directly excite only Cd+ ions in the upper laser level (4d95s2). This process was first shown to occur by pumping Cd vapor with short-wavelength laser-produced plasma sources, but it also operates in the He-Cd discharge plasma tube because of the presence of significant He emission in the 30 to 60-nm spectral region during operation of the He-Cd laser. The mechanism is believed to play only a minor role in the operation of the positive column He-Cd laser owing to the relatively low density of Cd for optimum laser output, which allows most of the soft-x-ray emission to escape from the discharge before being absorbed by Cd atoms.
The other transitions in Cd+, primarily at 537.8, 533.7, and 636.0 nm, are more effectively excited by charge transfer from He+ ions than by the other processes described for the blue laser. They operate more effectively in a hollow-cathode type of discharge in which a larger number of He+ ions are produced and are available for excitation of Cd. Several versions of the hollow-cathode type of discharge have been investigated over the years, but there is
FIGURE 1.1 Energy-level diagram for the helium-cadmium and helium-selenium lasers.
currently only one design available commercially that produces a "white light'' output of 15 to 30 mW and low-noise operation (<1/2 percent rms).
Commercial blue lasers are available at power levels ranging from 20 to 100 mW and in sizes ranging from 50 to 200 cm in length with a separate, relatively compact power supply. The lasers operate with noise levels of less than 2 percent rms and typically operate for lifetimes of the order of 3000 to 6000 h. Warmup time to full power is typically 15 min.
Applications for these lasers include printing, microchip inspection, flow cytometry, lithography, and fluorescence analysis.
Helium-Selenium Laser. The helium-selenium laser4 operates in a configuration similar to that of the helium-cadmium laser. Cataphoresis is used to distribute the selenium vapor in the laser bore region, and helium at a pressure of a few torr provides excitation via charge transfer from the He+ ion. This laser has operated on 25 wavelengths simultaneously in the visible spectral region at discharge currents of several hundred mA. The upper laser levels are energetically closely aligned with the He+ ion ground-state energy and allow the laser to operate via the charge transfer mechanism, where the He+ ground-state energy is transferred directly to the upper laser levels of Se+ as indicated in Fig. 4.5. This laser was available commercially for a short time but is no longer on the market. Problems associated with the control of the Se vapor within the laser tube significantly restricted the useful lifetime of the laser.
Переклад
Лазери на парах металів
Приблизно від 75 до 80 видимих лазерних переходів було зареєстровано в парах більше 30 елементів. Було виявлено, що ці переходи варіюються від першого іонного лазера, де в парах ртуті коливання відбувається в червоній частині спектра при довжині хвилі 615,0 нм, в гелій-кадмиєвому лазері при 441,6 нм в синій частині видимого спектру. Інші добре відомі лазери на парах металів включають в себе імпульсний лазер на міді з довжиною хвилі 510,5 і 578,2 нм, а лазер на парах золота при 627,8 нм. Також були розроблені імпульсні видимі лазери з іонами стронцію, з довжиною хвилі 407,7, 416,2 і 430,5 нм. Лазером з, мабуть, одним з найширших вихідних спектральних діапазонів, є гелій-селеновий лазер, який виробляє більше 35 лазерних переходів у видимій області спектра в діапазоні від 446,7 до 653,4 нм.
Гелій-кадмієвий лазер. Лазер, що працює на довжині хвилі 441,6 і 325,0 нм, є найвідомішим і найбільш широко використовуваним лазером на парах металу. У нього синій перехід - короткохвильовий, у УФ-лазера довжина хвилі становить 325,0 нм. УФ лазер був самим короткохвильовим лазером протягом багатьох років (до тих пір, поки число переходів в області від 200 до 300 нм не встигли розробити в Ar2 + і Ar3 + лазерах при роботі з високими струмами і шляхом підвищення якості дзеркал резонатора). Ряд інших лазерних переходів також було розроблено в розряді гелій-кадмиєвого лазера. Найбільш значущими з них є переходи на 537,8 і 533,7 нм в зеленій зоні і при 636,0 нм в червоній зоні. Ці переходи працюють найефективніше в різних умовах плазми, ніж синій перехід у УФ лазерів і, як правило, оптимізовані з різним типом розрядної трубки, відомої як порожнистий катод трубки. Коли всі ці переходи (синій, зелений і червоний) одночасно генерують випромінювання, то, в результаті вихідний сигнал являє собою білий світ, який протягом багатьох років був досліджений для використання в копіювальних системах.
Синій і УФ лазери працюють в основному в позитивному розряді постійного струму, при токах в діапазоні від 60 до 70 мА, отвір скляної розрядної трубки становить від 1 до 2 мм. Тиск газів щодо високого і низького струму потрібні в більшості лазерів. Ніяких додаткових вимог охолодження не потрібно. Деякі моделі, однак, використовують невеликий вентилятор охолодження. Лазерна трубка заповнена газоподібним гелієм при тиску приблизно від 5 до 7 мм рт.ст. і Cd подається в розряд з бічного резервуара за допомогою процесу, відомого як катафорез. У цьому процесі Cd випаровується в анодному кінці трубки і мігрує до катода, де він конденсується в неопалюваній області скляної трубки. Кілька грамів Cd досить для того, щоб забезпечити до 5000 годин безперервної роботи лазера.
Одномодовий режим синього лазера зазвичай становить від 15 до 20 мВт для 25-30 см розряду. Кожна лазерна трубка забезпечена резервуаром He для того, щоб замінити гелій, який поступово втрачається за рахунок дифузії через стінки трубки, а також шляхом захоплення, в якості якого Cd конденсується в неопалюваних катодних регіонах. Тиск Не під електронним контролем регулюється для оптимальної вихідної потужності лазера.
Більш потужні версії цього лазера розроблені шляхом з'єднання двох невеликих трубок разом, щоб розділити загальний катод, що ефективно подвоює довжину посилення і тим самим значно збільшує доступну потужність. Такі трубки пропонують потужність порядку від 75 до 100 мВт при 441,6 нм.
Сині і УФ переходи в Cd є кілька унікальними і спектроскопічними, в порівнянні з іншими лазерними переходами, оскільки вони включають внутрішню електронну конфігурацію оболонки. Конфігурація верхнього лазерного рівня є 4d95s2, в той час як нижній лазерний рівень є 4d105p. Отже, коли електронні переходи відбуваються між цими рівнями, два електрона повинні змінити свій стан імпульсу, з одного 5s електронних стрибків, щоб заповнити 4d оболонку, а інший змінюється до 5p. Такий перехід, менш вірогідний, ніж більш типовий видимий електронний перехід, який вимагає тільки одного змінювального електрона. Ці специфічні Сd+ переходи мають відносно довгий радіаційний час життя (-700 нс) і стимульоване випромінювання поперечного перетину 4 X 10-14 см^2. Коефіцієнт посилення при 441,6 нм, як правило, дорівнює 0,0003 см, що значно вище, ніж у гелій-неонового лазера.
Унікальна електронна конфігурація для цих переходів також призводить до великого ізотопного спектрального зсуву при 441,6 нм для різних ізотопів Cd. Металевий Cd, що зустрічається в природі, складається з декількох ізотопів, і ізотопний зсув між сусідніми парними ізотопами - близько доплеровскої ширини (1,1 ГГц). Найбільш рясні ізотопи Cd 110 (12 відсотків), Cd 111 (13 відсотків), Cd 112 (24 відсотки), Cd 113 (12 відсотків), Cd 114 (29 відсотків) і Cd 116 (8 відсотків). Отже, так як більшість лазерів зазвичай використовують природні Cd, спектральний вихід лазера значно ширше, ніж просто доплеровскої ширини одного ізотопу. Часто тільки два найсильніших ізотопу, Cd 112 і Cd 114, беруть участь у виході лазера, який забезпечує комбіновану смугу пропускання 2,6 ГГц для підсилює середовища.
Унікальна електронна конфігурація також призводить до унікальних механізмів збудження, як показано на рис. 1.1. Деякі з них були визначені для цих лазерних переходів. Перший механізм визначив цей процес, відомий як пеннінговська іонізація, в якій порушені (метастабільні) атоми гелію передають свою енергію Cd, аналогічно роботі лазера He-Ne. Проте, в разі Cd, іони утворюються в процесі порушених нейтральних атомів, як і в разі неону, внаслідок значно нижчого потенціалу іонізації Cd, ніж від Ne. У Cd, викинутий електрон в процесі іонізації займає надлишок енергії. Процес перенесення особливо посилюється в Cd.
Другий механізм являє собою двоступеневе електронне збудження, де перше зіткнення електронів виробляє основний стан Cd + іонів, і другий електрон виробляє зіткнення верхніх лазерних рівней Cd + (по аналогії з Ar + збудженням). Двоступенева електронна іонізація і процес Пеннінга є основними механізмами збудження для звичайного He-Cd лазера. Але, існує ще якесь питання про те, який процес домінує при різних умовах експлуатації.
Третій механізм був визначений нещодавно, їм є фотоіонізація атома Cd, яка використовує дуже короткохвильові фотони (м'які рентгенівські промені). Наприклад, коли пари Cd при тиску порядку 1 Торр опромінюються фотонами в діапазоні довжин хвиль від 10 до 70 нм, ці фотони будуть безпосередньо порушувати тільки іони Cd + в верхньому лазерному рівні (4d95s2). Цей процес був вперше показаний шляхом закачування Cd парів при короткохвильових лазерних плазмових джерел, але він також діє в плазмі розряду трубки He-Cd через наявність значної емісії гелію при довжині хвилі від 30 до 60 нм в області спектра, під час роботи лазера He -Cd. Механізм, як вважають, грає лише незначну роль у функціонуванні позитивного стовпа He-Cd лазера внаслідок щодо низької щільності Cd для оптимальної вихідної потужності лазера, що дозволяє уникнути більшу частину м'якого рентгенівського випромінювання, перед тим, як відбувається поглинання атомами Cd.
Інші переходи в Cd +, в першу чергу на 537,8, 533,7 і 636,0 нм, більш ефективно збуджуються перенесенням заряду від He + іонів, ніж іншими способами, описаними для синього лазера. Вони працюють більш ефективно з порожнистим катодом розряду, в якому проводиться більше число іонів He + і вони доступні для збудження Cd. Кілька версій типу з порожнистим катодом розряду досліджені протягом багатьох років, але в даний час існує тільки одна доступна конструкція, яка виробляє "білий світ '' при виході від 15 до 30 мВт і роботи з низьким рівнем шуму.
Гелій-Селеновий лазер. Гелій-селеновий лазер працює в конфігурації, аналогічної гелій-кадмієві лазеру. Катафорез використовується для розподілу парів селену в каналі лазерної області, і гелій при тиску в кілька торр забезпечує збудження через перенесення заряду від іона He +. Цей лазер працює на 25 довжинах хвиль одночасно у видимій області спектра при струмах в кілька сотень мА. Верхні лазерні рівні енергетично тісно пов'язані з енергією основного стану He + іонів і дозволяє лазеру працювати через механізм переносу заряду, де енергія основного стану He + передається безпосередньо в верхніх лазерних рівнях Se +, як показано на рис. 1.1. Цей лазер був доступний у продажу протягом короткого проміжку часу, але вже не на ринку. Проблеми, пов'язані з управлінням парів Se в лазерній трубці значно обмежили корисний термін служби лазера.