Αρχές των Laser ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΧΟΛΗ ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ : ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΠΙΤΙΚΑΚΗΣ ΑΕΜ: 2643

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Αρχές των Laser ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ : ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΠΙΤΙΚΑΚΗΣ ΑΕΜ: 2643 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Δρ. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΜΠΑΝΤΕΚΑΣ ΚΑΒΑΛΑ 2008

2 Πίνακας περιεχομένων Κεφάλαιο Πρώτο Εισαγωγή Laser στερεάς κατάστασης Lasers Νεοδυμίου Laser αερίων Lasers Ουδετέρων Ατόμων Lasers Ιόντων Lasers Αερίων Ιόντων Lasers Μεταλλικών Ατμών Lasers Μοριακών Αερίων Δονητικά - Περιστροφικά Lasers Δονητρονιακά Lasers Lasers Διεγερμένων Διμερών Laser υγρών (lasers χρωστικών) Φωτοφυσικές Ιδιότητες των Οργανικών Χρωστικών Χημικά laser Lasers ημιαγωγών Φωτοφυσικές Ιδιότητες των Laser Ημιαγωγών Χαρακτηριστικά των Lasers Ημιαγωγών Lasers χρωματικών κέντρων Σύνοψη δεδομένων λειτουργίας Κεφάλαιο Δεύτερο Ιδιότητες των Laser Μονοχρωματικότητα Βαθμός Χωρικής και Χρονικής Συμφωνίας Μέτρηση της Χωρικής και Χρονικής Συμφωνίας Σχέση μεταξύ Χρονικής Συμφωνίας και Μονοχρωματικότητας Μερικά Αριθμητικά Παραδείγματα Κοκκιδωση laser Λαμπρότητα Κεφάλαιο Τρίτο Εφαρμογές των Laser Εισαγωγή Επεξεργασία υλικών Μέτρηση και εξέταση Θερμοπυρηνική σύντηξη Στρατιωτικές εφαρμογές Ολογραφία Βιβλιογραφία

3 Κεφάλαιο Πρώτο - Εισαγωγή Σ' αυτό το κεφάλαιο περιέχονται διάφορα δεδομένα και πρακτικές πληροφορίες για έναν αριθμό lasers. Θα πρέπει να τονισθεί πως υπάρχουν πολύ περισσότερα lasers από αυτά που περιγράφονται εδώ. Σ' αυτό το κεφάλαιο όμως, ασχολούμαστε με εκείνους τους τύπους lasers που περισσότερο χρησιμοποιούνται και τα χαρακτηριστικά τους είναι αντιπροσωπευτικά μιας ολόκληρης κατηγορίας lasers. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί πως μερικά από τα δεδομένα που παρουσιάζονται σ' αυτό το κεφάλαιο (για παράδειγμα, ισχύς και ενέργειες εξόδου) είναι πολύ πιθανό πως γρήγορα θα ξεπεραστούν. Αυτά τα δεδομένα, λοιπόν παρουσιάζονται μόνο σαν προσεγγιστικός οδηγός. Θα ασχοληθούμε με τους ακόλουθους τύπους laser : (1) στερεάς κατάστασης (κρυσταλλικά ή γυαλιού ), (2) lasers αερίων, (3) lasers χρωστικών, (4) χημικά lasers, (5) lasers ημιαγωγών, (6) lasers χρωματικών κέντρων, και (7) lasers ελεύθερων ηλεκτρονίων. 1. Laser στερεάς κατάστασης Ο όρος laser στερεάς κατάστασης, χρησιμοποιείται για εκείνα τα lasers που έχουν σαν ενεργό μέσο είτε ένα μονωτικό κρύσταλλο ή γυαλί. Τα lasers ημιαγωγών θα συζητηθούν σε ξεχωριστή παράγραφο αφού οι μηχανισμοί άντλησης και δράσης laser είναι εντελώς διαφορετικοί. Τα lasers στερεάς κατάστασης συχνά χρησιμοποιούν σαν ενεργά συστατικά ιόντα πρόσμιξης, που εισάγονται σε έναν ιοντικό κρύσταλλο. Συνήθως το ιόν ανήκει σε μια από τις σειρές των μεταπτωτικών στοιχείων του περιοδικού πίνακα (π.χ. μεταπτωτικά μεταλλικά ιόντα, με σπουδαιότερο το Cr3+, ή ιόντα σπανίων γαιών με σημαντικότερα τα Nd3+ ή Ηο3). Οι μεταπτώσεις που χρησιμοποιούνται για δράση laser συνδέουν καταστάσεις που ανήκουν στις εσωτερικές κενές στοιβάδες. Αυτές οι μεταπτώσεις, ως εκ τούτου, δεν επηρεάζονται ισχυρά από το κρυσταλλικό πεδίο. Αυτό σημαίνει συνεπώς ότι οι μεταπτώσεις είναι πολύ οξείς (δηλ. σ λογικά μεγάλο) και τα μη 3

4 ακτινοβολητικά κανάλια είναι αρκετά ασθενή (δηλ., τ λογικά μεγάλο). Ακολούθως το κατώφλι του ρυθμού άντλησης είναι αρκετά χαμηλό ώστε να επιτρέπει δράση laser Laser Ρουβιδίου Αυτός ο τύπος του laser ήταν ο πρώτος που τέθηκε σε λειτουργία και συνεχίζει να χρησιμοποιείται ακόμη. Το Ρουβίδιο (Ruby) που είναι γνωστό από εκατοντάδες χρόνια σαν ένας φυσικός πολύτιμος λίθος, είναι κρύσταλλος ΑΙ20 3 (κορούνδιο) στον οποίο μερικά από τα ΑΙ3+ έχουν αντικατασταθεί από ιόντα Cr3+. Σαν υλικό laser λαμβάνεται συνήθως με κρυσταλλική ανάπτυξη από τήγμα μείγματος Cr20 3(~0.05% κατά βάρος) και ΑΙ20 3. Τα ενεργειακά επίπεδα του laser είναι εκείνα του Cr3+ στο πλέγμα του ΑΙ20 3 και τα σπουδαιότερα επίπεδα που μας ενδιαφέρουν φαίνονται στην Εικ.1. Δράση laser. Το ρουβίδιο έχει δύο κύριες ζώνες άντλησης, τις 4F1, και 4F2 με κεντρική ενέργεια στα 0.55μη (πράσινο) και 0.42μη (ιώδες) αντίστοιχα. Αυτές οι ζώνες συνδέονται με μια γρήγορη (10-7s) μη ακτινοβολητική αποδιέγερση και με τις δυο καταστάσεις 2 / και. Επειδή αυτές οι δυο τελευταίες καταστάσεις είναι επίσης συζευγμένες με μια πολύ γρήγορη (10-9s) μη ακτινοβολητική αποδιέγερση, συμβαίνει θερμική αποκατάσταση των πληθυσμών τους η οποία έχει σαν αποτέλεσμα το επίπεδο Ε να αποκτά μεγάλο πληθυσμό. Ο διαχωρισμός σε συχνότητα μεταξύ των 2Α και Ε (~ 29cm"1) είναι μικρός συγκρινόμενος μζ το (kt/h), και ο πληθυσμός του 2Α είναι συγκρίσιμος - με τον πληθυσμό του Ε επιπέδου. Έτσι λοιπόν είναι δυνατό να επιτευχθεί επίσης δράση από τη μετάπτωση 2 / 4Α2 (R2 γραμμή, λ μη). Παρά την περιπλοκή του να έχουμε αυτές τις δυο μεταπτώσεις laser, είναι φανερό πως το ρουβίδιο λειτουργεί σαν laser τριών επιπέδων. 4

5 H μετάπτωση Ri είναι κύρια ομογενώς διευρυμένη σε θερμοκρασία δωματίου. Η διεύρυνση αυτή είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του Cr3+ με τα πλεγματικά φωνόνια. Το εύρος της μετάπτωσης (FWHM) είναι Δν0 = 11cm-1 = 330 GHz (Τ = 300 Κ) και τα επίπεδα 2Α και Ε έχουν τον ίδιο χρόνο ζωής ~3 x 10-3 s (Τ = 300 Κ). Στους 77 Κ ο χρόνος ζωής αυξάνει σε 4.3 x 10-3 s, που σημαίνει ότι ο χρόνος ζωής σε θερμοκρασία δωματίου έχει επίσης συνεισφορά και από μη ακτινοβολητική αποδιέγερση. Σημειώστε ότι ο χρόνος ζωής είναι στην περιοχή του ms και έτσι αντιστοιχεί σε απαγορευμένη ηλεκτρική διπολική μετάπτωση. Τα laser ρουβιδίου λειτουργούν συνήθως σε παλμικό καθεστώς. Γι αυτό χρησιμοποιείται μια μεσαίας πίεσης (=500Torr) λυχνία έκλαμψης ξένου. Τυπικές διάμετροι της ράβδου είναι μεταξύ 5 και 10 mm με μήκος μεταξύ 5 και 20 cm. Η απόδοση εξόδου μπορεί να συνοψιστεί ως ακολούθως: (i) Όταν είναι μετατρεπόμενου Q, MW σε ένα γιγαντοπαλμό διάρκειας ns και (ii) όταν είναι εγκλειδωμένου ρυθμού, μερικά GW ισχύ κορυφής σε παλμό διάρκειας ~10 ps. Τα lasers ρουβιδίου μπορούν ακόμη να λειτουργήσουν cw (συνεχούς κύματος) αντλούμενα από υψηλής πίεσης λυχνία υδραργύρου. Τα lasers ρουβιδίου, κάποτε πολύ δημοφιλή, χρησιμοποιούνται λιγότερο τώρα, αφού έχουν ξεπεραστεί από τους ανταγωνιστές τους τα lasers Nd:YAG και Nd : γυαλί. Επειδή, στην πραγματικότητα, το ρουβίδιο δουλεύει σαν σύστημα τριών επιπέδων, η απαιτούμενη αντλητική ενέργεια κατωφλίου είναι περίπου μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από εκείνη ενός laser Nd:YAG συγκρίσιμου μεγέθους. Παρόλα αυτά τα lasers ρουβιδίου χρησιμοποιούνται ακόμη πολύ συχνά για ένα αριθμό επιστημονικών εφαρμογών, όπως π.χ. παλμική ολογραφία και πειράματα τηλεμετρίας (περιλαμβανομένων και στρατιωτικών τηλέμετρων). 5

6 1.2. Lasers Νεοδυμίου Τα lasers Νεοδυμίου είναι ο πιο δημοφιλής τύπος laser στερεάς κατάστασης. Το ενεργό μέσο είναι συνήθως είτε ένας κρύσταλλος Υ3 Al5 O12 (κοινά αποκαλούμενο YAG, ακρονύμιο του Yttrium Aluminum Garnet) στον οποίο μερικά από τα ιόντα Υ3+έχουν αντικατασταθεί από Nd3+, ή απλά ένα γυαλί που έχει εμπλουτιστεί με ιόντα Nd3+. Τα lasers νεοδυμίου μπορούν να ταλαντώνονται σε μερικές γραμμές, με πιο ισχυρή και έτσι με πιο κοινά χρησιμοποιούμενη τη λ = 1.06μm. Ένα απλοποιημένο διάγραμμα ενεργειακών επιπέδων για το Nd:YAG φαίνεται στην Εικ.2. Το ενεργειακό διάγραμμα είναι περίπου το ίδιο και για το Nd: γυαλί επειδή, καθώς ήδη αναφέρθηκε, τα ενεργειακά επίπεδα που ενδιαφέρουν δεν επηρεάζονται ισχυρά από το κρυσταλλικό πεδίο. Η λ = 1.06μm μετάπτωση laser είναι η πιο ισχυρή από τις 4F?,/2 4I11/2 μεταπτώσεις. Οι δυο κύριες ζώνες άντλησης παρουσιάζονται στα 0.73 και 0.8 μm αντίστοιχα. Αυτές οι ζώνες είναι συζευγμένες με μια γρήγορη μη ακτινοβολητική αποδιέγερση με το 4F?,/2 επίπεδο, ενώ το χαμηλότερο 4I11/2 επίπεδο είναι επίσης συζευγμένο με μια γρήγορη μη ακτινοβολητική αποδιέγερση με το 4I9/2 βασικό επίπεδο. Επιπλέον η ενεργειακή διαφορά μεταξύ των επιπέδων 4I11/2 και 4I9/2 είναι σχεδόν μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από το kt. Συνεπώς συμπεραίνουμε πως το Nd3+ laser δουλεύει σαν ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων. Όπως στην περίπτωση του ρουβιδίου η μετάπτωση laser είναι (κατά κύριο λόγο) ομογενώς διευρυμένη και το αντίστοιχο πλάτος της είναι Δν0 = 6.5cm*1 = 195 GHz στους Τ = 30θΡΚ. Ο χρόνος ζωής του υψηλότερου επίπεδου laser είναι και σ' αυτήν την περίπτωση πολύ μεγάλος (τ = 0.23ms) επειδή η μετάπτωση είναι απαγορευμένη για ηλεκτρική διπολική αλληλεπίδραση. Εικόνα 2 - Απλοποιημένα ενεργειακά επίπεδα του Nd.YAG. 6

7 Τα lasers Nd:YAG μπορούν να λειτουργούν είτε cw είτε παλμικά. Και για τις δύο περιπτώσεις χρησιμοποιούνται συνήθως γραμμικές λυχνίες σε απλή ελλειπτική, κλειστής σύζευξης, ή πολλαπλή ελλειπτική διάταξη. Λυχνίες Xe μέσης πίεσης ( ΤΟRR) και λυχνίες Kr υψηλής πίεσης (4-6 atm) χρησιμοποιούνται για τις παλμικές και τις cw περιπτώσεις αντίστοιχα. Οι διαστάσεις της ράβδου είναι τυπικά οι ίδιες με εκείνες που δόθηκαν για το ρουβίδιο. Τα χαρακτηριστικά εξόδου μπορεί να συνοψιστούν ως ακολούθως: (i) Ισχύς εξόδου μέχρι 150W από μια βαθμίδα και μέχρι 700W από διαδοχική διάταξη ενισχυτών, για cw λειτουργία (ii) Ισχύς εξόδου μέχρι 50 MW σε λειτουργία μετατρεπομένου Q, (iii) Διάρκεια παλμού μέχρι ~20ps σε λειτουργία εγκλειδωμένου ρυθμού. Η αποδοτικότητα κλίσης είναι 1-3% και για cw και για παλμική λειτουργία. Τα lasers Nd.YAG χρησιμοποιούνται πλατιά σε ποικιλία εφαρμογών όπως επεξεργασία υλικών (σε cw ή επαναληπτικά παλμική λειτουργία), τηλεμετρία και χειρουργική με laser. Οι διαστάσεις της ράβδου για το Nd: γυαλί μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερες από εκείνες του Nd:YAG (μέχρι περίπου 1 m σε μήκος και λίγες δεκάδες εκατοστών σε διάμετρο). Το γυαλί, εξαιτίας του πολύ χαμηλότερου σημείου τήξης τους, μπορεί πράγματι να αναπτυχθεί πολύ πιο εύκολα από το Υ AG. Επειδή όμως, η θερμική αγωγιμότητα του γυαλιού είναι περίπου μια τάξη μεγέθους μικρότερη από εκείνη του YAG, τα lasers Nd: γυαλί λειτουργούν συνήθως σε παλμικό καθεστώς. Τα χαρακτηριστικά εξόδου μπορούν να συνοψιστούν ως ακολούθως: (i) Η ενέργεια εξόδου και η ισχύς κορυφής σε λειτουργία μετατρεπομένου Q είναι συγκρίσιμες με εκείνες που πετυχαίνονται από τη ράβδο του Nd:YAG με συγκρίσιμες διαστάσεις, (ii) Αφού η μετάπτωση laser είναι αισθητά ευρύτερη από εκείνη του Nd:YAG (η επιπρόσθετη μη ομογενής διεύρυνση οφείλεται στη μεταβολή του περιβάλλοντος κάθε ιόντος μέσα στον υαλώδη πίνακα) μπορεί να επιτευχθούν παλμοί χρονικής διάρκειας τόσο (μικρής) όσο 5ps σε λειτουργία εγκλειδωμένου ρυθμού. To Nd: γυαλί μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντί Nd: Υ AG σ' όλες τις εφαρμογές όπου η επαναληπτικότητα του laser είναι αρκετά χαμηλή ώστε να μη προκαλέσει θερμικά προβλήματα στη ράβδο. Μια πολύ σπουδαία εφαρμογή του Nd: γυαλί 7

8 είναι σαν ενισχυτές laser στα συστήματα υψηλής ενέργειας που χρησιμοποιούνται στα πειράματα σύντηξης. Ένα σύστημα βασισμένο σε lasers Nd: γυαλί που αποδίδει παλμούς με ισχύ κορυφής μεγαλύτερη από 20 TW και ολική ενέργεια ~ 15 kj, έχει ήδη κατασκευαστεί (το laser Shiva) και ένα σύστημα που θα δώσει μια τάξη μεγέθους παραπάνω ενέργεια και ισχύ είναι υπό κατασκευή (laser Nova 200kJ, TW) Laser αερίων Γενικά για τα αέρια η διεύρυνση των ενεργειακών επιπέδων είναι μάλλον μικρή (της τάξης λίγων GHz ή λιγότερο) επειδή οι μηχανισμοί διεύρυνσης της γραμμής είναι ασθενέστεροι από ότι στα στερεά. Για αέρια στις χαμηλές πιέσεις που συχνά χρησιμοποιούνται στα lasers (λίγα Torr), η προξενούμενη διεύρυνση από τις κρούσεις είναι πολύ μικρή και τα πλάτη των γραμμών καθορίζονται βασικά από τη διεύρυνση Doppler. Γι αυτόν το λόγο οπτική άντληση με λάμπες του τύπου που χρησιμοποιούνται για τα lasers στερεάς κατάστασης, δεν χρησιμοποιείται στην περίπτωση των αερίων. Αυτό θα ήταν, πραγματικά, ελάχιστα αποδοτικό επειδή το φάσμα εκπομπής αυτών των λυχνιών είναι λίγο πολύ συνεχές, ενώ δεν υπάρχουν ευρείες ζώνες απορρόφησης στο ενεργό υλικό. Η μοναδική περίπτωση στην οποία επιτεύχθηκε δράση laser σε αέριο με οπτική άντληση αυτού του τύπου είναι εκείνη του Cs αντλούμενου από μια γραμμική λυχνία που περιέχει He. Σε αυτήν την περίπτωση οι συνθήκες ήταν πολύ ευνοϊκές για οπτική άντληση επειδή μερικές γραμμές εκπομπής του He συμπίπτουν με γραμμές απορροφητής του Cs. Παρόλα αυτά, η σπουδαιότητα αυτού του laser έγκειται περισσότερο στην ιστορική του σημασία: To Cs, που ατμοποιείται σε θερμοκρασία 175 Κ, είναι μία πολύ δραστική ουσία. Τα lasers αερίων διεγείρονται συνήθως με ηλεκτρικά μέσα, δηλ., η άντληση επιτυγχάνεται περνώντας ένα αρκετά μεγάλο ρεύμα (dc ή παλμικό) δια μέσου του αερίου. Άλλοι μηχανισμοί άντλησης που είναι ιδιάζοντες για ορισμένα lasers, (π.χ., ιονισμός Penning και μεταφορά φορτίου) θα εισαχθούν σε αυτό το κεφάλαιο. Θα θέλαμε επίσης να τονίσουμε ότι μερικά lasers αερίων μπορούν επίσης να αντληθούν από μηχανισμούς άλλους από την ηλεκτρική άντληση. Ειδικότερα, σημειώνουμε την άντληση με εκτόνωση δυναμικής αερίου, χημική άντληση, και οπτική άντληση μέσω ενός άλλου laser. 8

9 Όταν ένα δεδομένο είδος είναι σε μια διεγερμένη κατάσταση, μπορεί να αποδιεγερθεί σε χαμηλότερες καταστάσεις, περιλαμβανομένης και της βασικής κατάστασης, με τέσσερις διαφορετικές διεργασίες: (i) κρούσεις μεταξύ ενός ηλεκτρονίου και του διεγερμένου είδους κατά την οποία το τελευταίο δίνει την ενέργεια του στο ηλεκτρόνιο (κρούσεις δευτέρου είδους), (ii) κρούσεις μεταξύ ατόμων (για ένα αέριο με περισσότερα από ένα συστατικά), (iii) κρούσεις με τα τοιχώματα του δοχείου και (iv) αυθόρμητη εκπομπή. Σχετικά με αυτήν την τελευταία περίπτωση, θα πρέπει πάντοτε να θεωρούμε τη δυνατότητα (ειδικότερα για τις συνήθως πολύ ισχυρές UV και VUV μεταπτώσεις) παγίδευσης της ακτινοβολίας. Αυτή η διεργασία, επιβραδύνει τον ενεργό ρυθμό της αυθόρμητης εκπομπής. Για ένα δεδομένο ρεύμα εκκένωσης, αυτές οι διάφορες διεργασίες διέγερσης και αυτοδιέγερσης οδηγούν τελικά στην αποκατάσταση κάποιας κατανομής ισορροπίας του πληθυσμού μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων. Έτσι μπορεί να παρατηρηθεί ότι η παραγωγή αντιστροφής πληθυσμών σ' ένα αέριο είναι μια πιο πολύπλοκη διεργασία από ότι σε ένα laser στερεάς κατάστασης, και οφείλεται στο μεγάλο αριθμό φαινομένων που εμπλέκονται. Γενικά μπορούμε να πούμε ότι αντιστροφή πληθυσμών μεταξύ δύο δεδομένων επιπέδων θα συμβεί όταν καθεμιά (ή και οι δυο) από τις ακόλουθες περιστάσεις συμβούν: (i) Ο ρυθμός διέγερσης είναι μεγαλύτερο για το υψηλότερο επίπεδο laser παρά για το χαμηλότερο και (ii) Η αποδιέγερση του υψηλότερου επιπέδου laser είναι αργότερη από εκείνη του χαμηλότερου επιπέδου laser. Υπενθυμίζουμε ότι η τελευταία είναι αναγκαία συνθήκη για cw λειτουργία. Παρ' όλα αυτά, και εάν η συνθήκη αυτή δεν ικανοποιείται, μπορεί να έχουμε δράση laser κάτω από παλμική λειτουργία υπό τον όρο ότι η συνθήκη (i) ικανοποιείται (αυτοτερματιζόμενα lasers). Όσον αφορά την κατασκευή τους, πολλά lasers αερίων έχουν τη διάταξη που διαγραμματικά φαίνεται στην εικ.3. Το αέριο περιέχεται σε σωλήνα κατάλληλης διαμέτρου (από λίγα χιλιοστά έως λίγα εκατοστά) ο οποίος τερματίζεται με δυο παράθυρα κεκλιμένα κατά γωνία Brewster θβ. 9

10 Εικόνα 3 - Διαγραμμα ενός laser αερίου. Ξαναθυμίζουμε ότι, γι αυτήν τη γωνία πρόσπτωσης, μια δέσμη laser πολωμένη στο επίπεδο της εικόνας δεν υφίσταται καθόλου ανακλαστικές απώλειες στις επιφάνειες των παραθύρων, και συνεπώς αυτή είναι η διεύθυνση πόλωσης που η έξοδος του laser υιοθετεί. Γενικά χρησιμοποιούνται μάλλον σφαιρικά κάτοπτρα παρά επίπεδα αφού τα πρώτα δίνουν καλύτερη ευστάθεια Lasers Ουδετέρων Ατόμων To laser He-Ne(7-10) μπορεί να θεωρηθεί σαν τυπικό παράδειγμα (και πραγματικά εξαιρετικά σημαντικό) αυτής της κατηγορίας των lasers. Μπορεί να ταλαντώνεται σε κάθε ένα από τα ακόλουθα μήκη κύματος: λ, =3.39μη, λ2 =0.633μη, και λ3 = 1.15μη. Ήταν το πρώτο laser αερίου που τέθηκε σε ταλάντωση (στα λ3 = 1.15μη). Το 0.633μη (κόκκινο) He-Ne laser είναι ένα από τα πιο διαδεδομένα και πιο πολυχρησιμοποιούμενα lasers. Τα ενεργειακά διαγράμματα του He και Ne φαίνονται στην Εικ.4. Η δράση laser συμβαίνει μεταξύ ενεργειακών επιπέδων του Ne ενώ το He προστίθεται για να βοηθήσει τη διεργασία άντλησης. Πράγματι, όπως φαίνεται από την εικόνα, τα επίπεδα 23S και 21S του He είναι συντονισμένα με τα επίπεδα 2s και 3s αντίστοιχα, του Ne. Αφού τα 23S και 21S επίπεδα είναι μετασταθή, έχει βρεθεί ότι το He είναι πολύ αποδοτικό στην άντληση των 2s και 3s επιπέδων του Ne με συντονιστική ενεργειακή μεταφορά. Έχει επιβεβαιωθεί ότι αυτή η διεργασία κυριαρχεί στην παραγωγή της αντιστροφής πληθυσμού στο laser He-Ne, μολονότι και κατευθείαν συγκρούσεις ηλεκτρονίου-ne επίσης συνεισφέρουν στην άντληση. Από όσα έχουν 10

11 ειπωθεί προηγούμενα, φαίνεται ότι τα 2s και 3s επίπεδα του Ne μπορούν να αυξήσουν τον πληθυσμό τους και είναι, ως εκ τούτου, πιθανοί υποψήφιοι σαν υψηλότερα επίπεδα για μεταπτώσεις laser. Λαμβάνοντας υπόψη τους κανόνες επιλογής, βλέπουμε ότι δυνατές μεταπτώσεις είναι εκείνες προς τις ρ καταστάσεις. Επιπρόσθετα, ο χρόνος αποδιέγερσης των s καταστάσεων (τ5»100ns), είναι μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερος από το χρόνο αποδιέγερσης των ρ καταστάσεων (τρ 10ns). Έτσι, η συνθήκη για λειτουργία σαν cw laser ικανοποιείται. Από τα παραπάνω φαίνεται ότι ταλάντωση laser θα αναμένονταν σε κάθε μια από τις μεταπτώσεις α, b και c της Εικ.4. Από τις διάφορες μεταπτώσεις του τύπου α, η ισχυρότερη συμβαίνει να είναι αυτή μεταξύ του υποεπιπέδου 3s2 της ομάδας 3s και του υποεπιπέδου 3ρ4 της ομάδας 3ρ (λ1 = 3.39μη). Μεταξύ των μεταπτώσεων τύπου b, είναι η 3s2 2ρ4 μετάπτωση (λ2= 0.633μη, κόκκινο) που χρησιμοποιείται στο συνηθισμένο εμπορικό He - Ne laser. Η μετάπτωση 2s2 2ρ4 (τύπου c) παράγει το μήκος κύματος λ3 = 1.15μη. To laser He - Ne θα λειτουργεί στις μεταπτώσεις α, b ή c σύμφωνα με το εάν η μέγιστη ανακλαστικότητα των κατόπτρων είναι στο λ1, λ2 ή λ3. Τα πολυστρωματικά διηλεκτρικά κάτοπτρα είναι, ως εκ τούτου, κατασκευασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να δίνουν μέγιστη ανακλαστικότητα στο επιθυμητό μήκος κύματος. Η μετάπτωση laser διευρύνεται κατά κύριο λόγο από το φαινόμενο Doppler. Γ ια παράδειγμα, στο λ = 632.8μη, η φυσική διεύρυνση μπορεί να εκτιμηθεί από την (2.106) ότι είναι Δν^ «1/2πτ«19ΜΗ^ όπου τ-1 =τ5-1 +^-1 και τ5, ^ είνα χρόνοι ζωής των καταστάσεων s και p αντίστοιχα. Η διεύρυνση λόγω κρούσεων συνεισφέρει ακόμη λιγότερο από τη φυσική διεύρυνση [π.χ. για καθαρό Ne, Δνc «0.6MHz σε πίεση p «0.5Torr. Τελικά θα πρέπει να σημειωθεί πως το πειραματικά μετρούμενο εύρος γραμμής συμφωνεί καλά με εκείνο που υπολογίζεται πάρα πάνω, επιβεβαιώνοντας έτσι πως η πραγματική θερμοκρασία των ατόμων Ne είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος. 11

12 Εικόνα 4 - Ενεργειακά επίπεδα του He και του Ne. Τα πρώτα σχέδια του He-Ne laser ακολουθούσαν το γενικό διάγραμμα της Εικ.3, αλλά αυτό έχει ξεπεραστεί από μια διάταξη στην οποία τα δύο άκρα του σωλήνα εκκένωσης τερματίζονται από τα δυο κάτοπτρα της κοιλότητας των οποίων οι επιχρισμένες επιφάνειες βρίσκονται πρακτικά στο χώρο εκκένωσης. Εξ αιτίας των πολύπλοκων διεργασιών που συνεισφέρουν στη διέγερση και αποδιέγερση των επιπέδων του, το He-Ne laser έχει άριστες τιμές για ένα αριθμό των παραμέτρων λειτουργίας του. Ειδικότερα αυτές είναι (i) άριστη τιμή του γινόμενου της ολικής πίεσης του αερίου ρ και της διαμέτρου του σωλήνα D (pd = 3.6-4Torr x mm), (ii) άριστη τιμή του λόγου He:Ne (~ 5:1 στο λ = 632.7nm και 9:1 στο λ = 1.15μm) και (iii) άριστη τιμή της πυκνότητας ρεύματος εκκένωσης J. Το γεγονός ότι υπάρχει μια άριστη τιμή του pd φανερώνει ότι είναι η ηλεκτρονική θερμοκρασία που αριστοποιείτε. Η στοιχειώδης θεωρία μιας εκκένωσης αίγλης σε μια θετική στήλη προβλέπει πράγματι μια Maxwellian ηλεκτρονική ενεργειακή κατανομή της οποίας η θερμοκρασία εξαρτάται μόνο από το γινόμενο pd. Η άριστη τιμή της πυκνότητας ρεύματος (τουλάχιστον για τις μεταπτώσεις στα 3.39 και μm) συμβαίνει επειδή, σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος, αποδιέγερση της He(21S) μετασταθούς κατάστασης παρουσιάζεται όχι μόνο από διάχυση προς τα τοιχώματα αλλά επίσης και από υπερελαστικές διεργασίες κρούσης σαν την He(21S) + e ^ He (11S) + e (1) 12

13 Αφού ο ρυθμός αυτής της διεργασίας είναι ανάλογος προς το Ne, την ηλεκτρονική πυκνότητα (και ως εκ τούτου προς το J) ο ολικός ρυθμός αποδιέγερσης μπορεί να γραφεί σαν k2 + k3j, όπου k2 παριστά διάχυση προς τα τοιχώματα και k3j παριστά τις υπερελαστικές διεργασίες κρούσης (1). Επειδή ο ρυθμός διέγερσης της 21S κατάστασης μπορεί να εκφραστεί σαν k, J, ο στάσιμος πληθυσμός της 21S θα δίνεται από Nk1J/(k2 + k3j), όπου Ν είναι ο πληθυσμός της βασικής κατάστασης των ατόμων He. Ως εκ τούτου ο πληθυσμός 21S του He και επομένως αυτός της 3s κατάστασης του Ne θα κορεστεί σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος όπως φαίνεται από την παραπάνω σχέση. Από το άλλο μέρος, έχει βρεθεί πειραματικά πως ο πληθυσμός του χαμηλότερου επιπέδου laser (3p ή 2p) αυξάνεται με το J (που οφείλεται στην κατ' ευθείαν άντληση από τη βασική κατάσταση των ατόμων Ne και στην ακτινοβολητική κλιμακωτή αποδιέγερση από τα υψηλότερα επίπεδα laser). Καθώς η πυκνότητα ρεύματος εκκένωσης αυξάνεται, η πληθυσμιακή διαφορά αυξάνει προς κάποια μέγιστη τιμή και έπειτα ελαττώνεται. Έτσι η απολαβή του laser και επομένως η ισχύς εξόδου θα έχει ένα μέγιστο για κάποια συγκεκριμένη πυκνότητα ρεύματος. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί πως η απολαβή του laser βρέθηκε πειραματικά πως μεταβάλλεται σαν D-1, με την προϋπόθεση ότι το pd διατηρείται σταθερό. Αυτό μπορεί να κατανοηθεί όταν γίνει αντιληπτό ότι, για σταθερό pd, η ηλεκτρονική θερμοκρασία είναι σταθερή. Έτσι, όλες οι διεγερτικές διαδικασίες από ηλεκτρονικές κρούσεις κλιμακώνονται απλά σύμφωνα με τον αριθμό των ατόμων που διατίθενται για διέγερση. Αφού και το υψηλότερο και το χαμηλότερο επίπεδο laser πληθύνονται τελικά από διεργασίες ηλεκτρονικών κρούσεων, ο πληθυσμός τους και ως εκ τούτου η απολαβή του laser, είναι κατ' ευθείαν ανάλογη προς την πίεση ή το D-1 για σταθερό pd. Η προηγούμενη συζήτηση δείχνει ότι, για ένα δεδομένο laser, η έκταση των μεταβολών στο ρεύμα και την πίεση είναι μάλλον περιορισμένη. Εν τούτοις αυξάνοντας τη διάμετρο του σωλήνα, για σταθερό pd, αυξάνεται η έξοδος του laser. Σε αυτήν την περίπτωση, η απολαβή ελαττώνεται περίπου όπως το αντίστροφο της διαμέτρου του σωλήνα, και η διατομή της εκκένωσης αυξάνει σαν το τετράγωνο της διαμέτρου. Το συνολικό αποτέλεσμα είναι να παραχθεί μια ισχύς εξόδου που είναι περίπου ανάλογη προς τη διάμετρο του σωλήνα. Αρκετά πάνω από το κατώφλι, η ισχύς εξόδου αυξάνει γραμμικά με το μήκος. Μια τυπική άριστη 13

14 έξοδος για μια 100 cm x 6 mm κυλινδρική εκκένωση θα ήταν 100 mw. Στην πράξη τα περισσότερα lasers He-Ne λειτουργούν με μια διάμετρο ενεργού υλικού 1-6 mm, για λόγους ελέγχου των ρυθμών. Αφού, όπως έχουμε σημειώσει προηγουμένως, το εύρος γραμμής Δν (για τη μετάπτωση στα 633nm) είναι περίπου 1700MHz, είναι δυνατό να πετύχουμε ταλάντωση σ' ένα μοναδικό διαμήκη ρυθμό χρησιμοποιώντας μήκος κοιλότητας που είναι αρκετά μικρό ώστε να δίνει διαχωρισμό των διαμηκών ρυθμών (c/2l) συγκρίσιμο προς το Δν. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι L < 15-20cm. Τα lasers He-Ne, που ταλαντώνονται στην κόκκινη μετάπτωση, χρησιμοποιούνται πλατιά σε πολλές εφαρμογές όπου χρειάζεται μικρής ισχύος ορατή δέσμη (π.χ. ευθυγραμμίσεις, ανάγνωση χαρακτήρων, μετρολογία, ολογραφία, μνήμες κασετών βίντεο). Εκτός από το laser He-Ne υπάρχουν και άλλα lasers αερίων ουδετέρων ατόμων, που καλύπτουν περισσότερα από τα ευγενή αέρια (He, Ne, Kr, Ar, Xe). Γενικά, για όλα αυτά, βρίσκουμε ένα ενεργειακό διάγραμμα παρόμοιο με τον τύπο που δείχνεται για το Ne στην Εικ.4, εκτός από μια μεταβολή στην κλίμακα. Το πρώτο διεγερμένο επίπεδο (Is) συνήθως δεν χρησιμοποιείται σαν χαμηλότερο επίπεδο laser επειδή είναι μετασταθές. Έτσι, τα επίπεδα που χρησιμοποιούνται για να επιτευχθεί δράση laser είναι υψηλότερα από το πρώτο (ή τα δύο πρώτα) διεγερμένα επίπεδα. Εξ αιτίας αυτού τα lasers ουδετέρων αερίων συνήθως λειτουργούν στο κόκκινο ή στο κοντινό υπέρυθρο (1-10μm). Τελικά σημειώνουμε πως τα lasers ουδετέρων ατόμων δεν αντιπροσωπεύονται αποκλειστικά από τα ευγενή αέρια και ειδικότερα, αναφέρουμε την κλάση των lasers μεταλλικών ατμών (Pb, Cu, Au, Ca, Sr και Mn). Από αυτά, το πιο σπουδαίο σήμερα είναι το laser Cu(10) το οποίο ταλαντώνεται στο πράσινο (510.5nm) όπου η αποδοτικότητα του είναι αρκετά υψηλή (~ 1%) και στο κίτρινο, στα nm. Όλα τα lasers μεταλλικών ατμών είναι αυτοτερματιζόμενα και ως εκ τούτου λειτουργούν σε παλμικό καθεστώς. Ένα γενικό διάγραμμα για τα σχετικά ενεργειακά επίπεδα αυτής της τάξης των lasers φαίνεται στην Εικ.6. Η μετάπτωση g 2 επιτρέπεται ενώ η μετάπτωση gl απαγορεύεται μέσω ηλεκτρικής διπολικής αλληλεπίδρασης. Στην προσέγγιση Born αναμένουμε λοιπόν ότι η ενεργός διατομή της ηλεκτρονικής κρούσης της 14

15 μετάπτωσης g 2 να είναι αισθητά μεγαλύτερη από αυτήν της μετάπτωσης g^1. Για να συγκεντρωθεί αρκετός πληθυσμός στο υψηλότερο επίπεδο laser, ο ρυθμός ακτινοβολητικής μετάπτωσης της 2 g, ο οποίος συνήθως θα είναι γρήγορος, πρέπει να ελαττωθεί σε τιμή συγκρίσιμη προς τον ακτινοβολητικό ρυθμό της 2^ 1. Αυτό σημαίνει πως μια ικανοποιητική ατομική πυκνότητα πρέπει να παρευρίσκεται για να δημιουργηθεί παγίδευση... Εικόνα 5 - Γενικό ενεργειακό διάγραμμα για ένα αυτοτερματιζόμενο laser μεταλλικού ατμού..ακτινοβολίας στη μετάπτωση 2 g. Σημειώστε ότι, επειδή η μετάπτωση 1 g είναι απαγορευμένη, το laser μπορεί να λειτουργεί μόνο σε παλμική βάση με διάρκεια παλμού τάξης μεγέθους του χρόνου ζωής του επιπέδου 2 ή μικρότερου. Η 1-g αποδιέγερση συμβαίνει συνήθως με κρούσεις στα τοιχώματα ή με απενεργοποίηση ατόμου-ατόμου. Ο αντίστοιχος ρυθμός αποδιέγερσης θέτει ένα άνω όριο στην επαναληπτικότητα του laser. Η κατασκευή ενός laser μεταλλικού ατμού ακολουθεί το γενικό διάγραμμα της Εικ.3. Δυο χαρακτηριστικά γνωρίσματα είναι, εν τούτοις, αξιοσημείωτα: (i) Τα αυτοτερματιζόμενα lasers παρουσιάζουν μια πολύ υψηλή απολαβή ανά διαδρομή. Ταλάντωση μπορεί λοιπόν να συμβεί ακόμη και χωρίς καθόλου κάτοπτρα μέσω της ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής. Όμως, έξοδος μοναδικής κατευθυντικότητας και χαμηλότερο κατώφλι επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας ένα 100% ανακλαστικό κάτοπτρο στο ένα άκρο του σωλήνα και παίρνοντας την έξοδο από το άλλο άκρο. (ii) Για να επιτευχθεί η απαιτούμενη πυκνότητα ατμών το laser πρέπει να λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες (~ 1500 C). Ο σωλήνας του laser λοιπόν κατασκευάζεται συνήθως από 15

16 αλουμίνια και η κεντρική περιοχή τοποθετείται σ' ένα φούρνο. Μερικά Torr Ne προστίθενται επίσης στο σωλήνα του laser για να αποτρέψουν εναπόθεση του μεταλλικού ατμού στα ψυχρά παράθυρα. Το πρόβλημα της υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας μπορεί να μετριαστεί αισθητά με τη χρήση αλογονομεταλλικών ενώσεων (π.χ. CuBr) αντί καθαρών μετάλλων. Σε αυτήν την περίπτωση η απαιτούμενη θερμοκρασία είναι αισθητά χαμηλότερη (~550 C για CuBr) και μπορεί να επιτευχθεί απλά σαν αποτέλεσμα της θερμότητας που γεννιέται από την εκκένωση (όταν το laser λειτουργεί σε αρκετά υψηλή επαναληπτικότητα). Όμως, ο ατμός αποτελείται τότε. από CuBr παρά από Cu και για να παράγουμε ατομικό χαλκό χρησιμοποιείται μια τεχνική διπλής εκκένωσης: ο πρώτος παλμός εκκένωσης διασπά το μόριο CuBr, ενώ ο δεύτερος παράγει τη δράση laser. Τα lasers ατομικού χαλκού λειτουργούν με μέση ισχύ ~40W και επαναληπτικότητα ~ 15kHz και δίνουν πρακτικά την πιο αποδοτική πράσινη πηγή laser που έχουμε ως τώρα. Παρουσιάζουν ενδιαφέρον για υποθαλάσσιες επικοινωνίες και ανίχνευση υποβρύχιων αντικειμένων (το θαλάσσιο νερό είναι σχετικά διαπερατό στη μπλε-πράσινη περιοχή) και επίσης για μερικές εφαρμογές στη φωτοχημεία laser Lasers Ιόντων Στην περίπτωση ενός ιονισμένου ατόμου, η κλίμακα των ενεργειακών επιπέδων επεκτείνεται. Σε αυτήν την περίπτωση, πράγματι, ένα δεδομένο ηλεκτρόνιο του ατόμου υφίσταται το πεδίο που οφείλεται στο θετικό φορτίο Ze του πυρήνα, (Ζ είναι ο ατομικός αριθμός του ατόμου και e το φορτίο του ηλεκτρονίου) που είναι καλυμμένο από το αρνητικό φορτίο (Z-2)e, ενώ, για το ουδέτερο άτομο, είναι μόνο e. Αυτή η διαστολή της ενεργειακής κλίμακας σημαίνει πως τα ιοντικά lasers λειτουργούν τυπικά στην ορατή ή την υπεριώδη περιοχή. Θα διαχωρίσουμε τα ιοντικά lasers σε δυο κατηγορίες: (i) lasers αερίων ιόντων και (ii) lasers μεταλλικών ατμών. 16

17 Lasers Αερίων Ιόντων Σ' ένα laser αερίων ιόντων, ο πληθυσμός του ανώτερου επιπέδου laser αυξάνει μέσω δυο διαδοχικών συγκρούσεων με τα ηλεκτρόνια της εκκένωσης. Η πρώτη παράγει ένα ιόν από το ουδέτερο άτομο ενώ η δεύτερη διεγείρει το ιόν αυτό. Η διαδικασία άντλησης λοιπόν είναι μια διεργασία δυο βαθμίδων που περιέχει την πυκνότητα ρεύματος εκκένωσης J, (δηλ., είναι ανάλογη προς το J2 ή προς υψηλότερες δυνάμεις του J, όπως θα δούμε αργότερα). Για να είναι αποδοτική αυτή η διεργασία απαιτείται πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα ρεύματος από ότι απαιτείται για ένα laser ουδέτερου αερίου. Από τα διάφορα lasers αερίων ιόντων, θα εξετάσουμε με κάποια λεπτομέρεια το laser Ar+. Ένα διάγραμμα επιπέδων που δείχνει τα κύρια ενεργειακά επίπεδα του Α^ δίνεται στην Εικ.6. Η αύξηση του πληθυσμού του ανώτερου επιπέδου (4p) της μετάπτωσης laser μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις διακριτές διεργασίες: (i) ηλεκτρονικές κρούσεις με το ιόν Α^ στη βασική του κατάσταση [διεργασία (a)] - (ii) ηλεκτρονικές κρούσεις με ιόντα σε μετασταθή επίπεδα [διεργασία (b)] - (iii) ακτινοβολητική κλιμακωτή αποδιέγερση από υψηλότερα επίπεδα [διεργασία (c)]. Εάν πάρουμε Ν νάναι η πυκνότητα των ιόντων Α^ στη βασική κατάσταση, Ne η ηλεκτρονική πυκνότητα και εάν υποθέσουμε ότι το πλάσμα σαν σύνολο είναι ουδέτερο, τότε μπορούμε να πούμε ότι Ni «Nc. Με αυτήν την υπόθεση, η διεργασία (a) παράγει ένα ρυθμό άντλησης ανά μονάδα όγκου (dn2/dt)pτης μορφής dn2/dt)p κ NeNi κ Ne2 (2) Επειδή η εκκένωση φθάνει σε μια κατάσταση στην οποία το ηλεκτρικό πεδίο είναι σταθερό, η ηλεκτρονική πυκνότητα Ne θα είναι ανάλογη προς την πυκνότητα ρεύματος εκκένωσης J. Από την (2) έπεται ότι (dn2/dt)p κ J2. Αυτή η τετραγωνική εξάρτηση από το ρεύμα έχει επιβεβαιωθεί παρατηρώντας τη μεταβολή της αυθόρμητα εκπεμπόμενης ισχύος σαν συνάρτηση του J. Αυτό θα 17

18 εμφανίζονταν με πρώτη ματιά σαν ένδειξη υπέρ της διεργασίας (a). Όμως, οι διεργασίες (b) και (c) δίνουν επίσης παρόμοιες εξαρτήσεις του (dn2 /dt)p από το J. Αυτό είναι αμέσως φανερό για την περίπτωση της διεργασίας (c). Πράγματι, οι πληθυσμοί εκείνων των επιπέδων από τα οποία αρχίζει η κλιμακωτή διαδικασία θάναι επίσης ανάλογη προς το NeN, και ως εκ τούτου προς το Ne2. Στην περίπτωση της διεργασίας (b) ο υπολογισμός είναι κάπως πολυπλοκότερος. Ο πληθυσμός Nm των μετασταθών επιπέδων, ο οποίος ορίζεται από την ισορροπία μεταξύ των διεργασιών διέγερσης και αποδιέγερσης, δίνεται από... Nm Κ NeNi / (Κ+ Ne) (3) Ο όρος Κ στον παρονομαστή της (3) είναι υπεύθυνος για την αυθόρμητη αποδιέγερση του μετασταθούς επιπέδου, ενώ ο όρος Ne είναι υπεύθυνος για την αποδιέγερση μέσω ηλεκτρονικών κρούσεων. Από την (3) βρίσκουμε ότι η διεργασία (b) παράγει έναν αντλητικό ρυθμό (dn2/dt)p κ NmNe κ Ne3/ (K+NJ (4) Όμως, επειδή τα μετασταθή μάλλον θα αποδιεγερθούν με ηλεκτρονικές κρούσεις παρά με αυθόρμητη εκπομπή (δηλ., K«N e), φαίνεται από την (4) πως έχουμε πάλι το αποτέλεσμα (dn2/dt)p κ Ne2. Είναι πιθανό τότε ότι και οι τρεις αυτές διαδικασίες ' που καταγράφηκαν συνεισφέρουν στην αύξηση του πληθυσμού του επιπέδου laser. Έχει επιδειχθεί;πράγματι, ότι ένα κλάσμα, 23-50%, του πληθυσμού του ανώτερου επιπέδου οφείλεται σε κλιμακωτές αποδιεγερτικές διαδικασίες τύπου (c). Τελικά, σημειώνουμε ότι ο χρόνος ζωής του ανώτερου επιπέδου laser είναι ~10-8 s, ενώ το κατώτερο επίπεδο laser (4s) συνδέεται με τη 18

19 Εικόνα 6 - Τρεις διαφορετικές διεργασίες που συνεισφέρουν στην άντληση του ανώτερου επιπέδου (4ρ) ενός laser Ar+ : (a) ηλεκτρονικές κρούσεις με ιόντα που είναι στη βασική κατάσταση, (b) ηλεκτρονικές κρούσεις με ιόντα που είναι σε μετασταθή κατάσταση, (c) ακτινοβολητική κλιμακωτή αποδιέγερση από ψηλότερα επίπεδα βασική κατάσταση μέσω μιας ακτινοβολητικής μετάπτωσης με πολύ βραχύτερο χρόνο ζωής (10-9s). Το εύρος γραμμής Doppler Δν0* είναι ~ 3500MHz και αυτό εξυπακούει μια θερμοκρασία Τ ~ 3000 Κ. Τα ιόντα είναι λοιπόν πολύ «θερμά» εξαιτίας της επιτάχυνσης τους από το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στην εκκένωση. Ένα σχηματικό διάγραμμα της κατασκευής ενός σωλήνα laser Ar+ δίνεται στην Εικ.7. Εξαιτίας της υψηλής πυκνότητας ρεύματος υπάρχει μια μετανάστευση ιόντων Ar+ προς την κάθοδο (καταφόρηση) και υπάρχει ένας σωλήνας επιστροφής, όπως φαίνεται στην εικόνα, για να την αντισταθμίζει. Είναι αυτονόητο ότι το μήκος του σωλήνα επιστροφής πρέπει νάναι μεγαλύτερο από εκείνο του σωλήνα του laser για να αποτρέπει το πέρασμα της εκκένωσης κατά μήκος του σωλήνα επιστροφής αντί του σωλήνα του laser. Στις υψηλές πυκνότητες ρεύματος που χρειάζονται, ένα από τα πιο σοβαρά τεχνολογικά προβλήματα ]είναι η ζημιά στο σωλήνα που προξενείτε από τα συγκρουόμενα μ' αυτόν ιόντα (Τ ^ 3000 Κ). Γ ια αυτό ο σωλήνας κατασκευάζεται συνήθως από το κεραμικό υλικό BeO ή από γραφίτη. Επίσης, εφαρμόζεται ένα στατικό μαγνητικό πεδίο, παράλληλο προς τον άξονα του σωλήνα, στην περιοχή εκκένωσης. Μ' αυτήν τη διάταξη η δύναμη Lorentz ελαττώνει το ρυθμό διάχυσης των ηλεκτρονίων προς τα τοιχώματα. Αυτό αυξάνει τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων σο κέντρο του σωλήνα το οποίο οδηγεί σε μια αύξηση του ρυθμού άντλησης και συνεπώς της 19 Εικόνα 7 - Σχηματικό διάγραμμα σωλήνα ενός laser Ar

20 ισχύος1 εξόδου. Με τον περιορισμό της εκκένωσης προς το κέντρο του σωλήνα, το μαγνητικό πεδίο περιορίζει επίσης το πρόβλημα της καταστροφής των τοιχωμάτων. Αντίθετα προς το laser He - Ne, σε αυτήν την περίπτωση, η απολαβή δεν εξαρτάται από την εσωτερική διάμετρο του σωλήνα αφού μια συγκέντρωση πληθυσμού στα μετασταθή επίπεδα δεν μειώνει την αντιστροφή πληθυσμού. Στα lasers του εμπορίου όμως, η διάμετρος του σωλήνα διατηρείται μικρή (λίγα χιλιοστά) ώστε να περιορίσει την ταλάντωση στον TEM0o ρυθμό και να ελαττώσει το απαιτούμενο ρεύμα. Από το άλλο μέρος, εάν κάποιος θέλει να αυξήσει την ισχύ εξόδου ή να περιορίσει το πρόβλημα της καταστροφής των τοιχωμάτων, υπάρχει ένα πλεονέκτημα που κερδίζεται με τη χρήση σημαντικά μεγαλύτερων διαμέτρων. To laser Ar+ μπορεί να ταλαντώνεται σ* ένα ρυθμό μηκών κύματος, με την πιο ισχυρή ταλάντωση στα λ, = 488nm (μπλε) και λ2 = 514.5nm (πράσινο). Ένα σπουδαίο χαρακτηριστικό του laser Ar (και των lasers ιόντων γενικότερα) είναι ότι η ισχύς εξόδου αυξάνει γρήγορα με την αύξηση του ρεύματος εκκένωσης. Αντίθετα προς το He-Ne η ισχύς εξόδου του laser Ar+ συνεχίζει να αυξάνει με την αύξηση της ισχύος διέγερσης. Αυτό συμβαίνει επειδή η διαδικασία κορεσμού της αντιστροφής (που σ* αυτήν την περίπτωση οφείλεται στη συντονιστική παγίδευση της ακτινοβολίας στην μετάπτωση των 720 Α της Εικ.6. γίνεται σημαντική μόνο για πυκνότητες ρεύματος πολύ υψηλότερες από εκείνες που μπορεί να επιτευχθούν στην πράξη. Για τους λόγους που δόθηκαν πιο πάνω, έχει γίνει δυνατό να επιτευχθούν πολύ υψηλές ισχύς εξόδου από τα lasers Ar+ (μέχρι 200 W cw από σωλήνα διαμέτρου 1 cm). Εν τούτοις, η αποδοτικότητα του laser είναι πολύ χαμηλή (< 10-3). Τα lasers αργού χρησιμοποιούνται πλατιά για την άντληση cw laser χρωστικών, για μια ποικιλία επιστημονικών εφαρμογών (αλληλεπίδραση ύλης- 20