Stickstofflaser

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Oktober 1, 2016 Andor Fleischer S 0 24

Eine Stickstoff-Laser ist ein Gaslaser, der im UV-Bereich unter Verwendung von molekularem Stickstoff als Verstärkungsmedium durch eine elektrische Entladung gepumpt.

Der Gesamtwirkungsgrad der Stickstofflaser ist niedrig, typischerweise 0,1% oder weniger, obwohl Stickstofflaser mit einem Wirkungsgrad von bis zu 3% wurde in der Literatur berichtet worden. Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt der folgenden drei Wirkungsgrade:

Elektro: TEA-Laser
Verstärkungsmedium: Dies ist das gleiche für alle Stickstofflaser und somit muss mindestens 3%
- Inversion durch Elektronenstoß 10 bis 1 aufgrund Franck-Condon-Prinzip
- Energie in der unteren Laserniveaus verloren: 40%
Licht: Mehr induzierte Emission als spontane Emission

Verstärkungsmedium

Das Verstärkungsmedium ist die Stickstoffmoleküle in der Gasphase. Der Stickstofflaser ist ein Drei-Level-Laser. Im Gegensatz zu typischen Vier-Level-Laser wird das obere Laserniveau von Stickstoff direkt gepumpt, imposante keine Geschwindigkeitsbegrenzungen auf der Pumpe. Pumpen wird üblicherweise durch direkten Elektronenstoß vorgesehen ist; müssen die Elektronen genügend Energie haben, oder sie werden scheitern, die obere Laserniveau anzuregen. Typischerweise berichtet optimalen Werte liegen im Bereich von 80 bis 100 eV pro Torr · cm Druck von Stickstoffgas.

Es ist eine 40 ns Obergrenze der Laserlebensdauer bei niedrigen Drücken und die Lebensdauer kürzer wird, wenn der Druck erhöht wird. Die Lebensdauer ist lediglich 1 bis 2 ns bei 1 Atmosphäre. Allgemein

Die stärksten Linien sind bei 337,1 nm Wellenlänge im ultravioletten. Andere Linien wurden bei 357,6 nm, auch ultraviolettes gemeldet. Diese Angaben beziehen sich auf das zweite positive System von molekularem Stickstoff, der bei weitem die häufigste ist. Keine Vibrationen der beiden Stickstoffatome beteiligt ist, da das Atom-Atom-Abstand nicht mit dem elektronischen Übergangs ändern. Die Drehung geändert werden muss, um den Drehimpuls des Photons ferner mehrere Rotationszustände werden bei Raumtemperatur aufgefüllt zu liefern. Es gibt auch Linien im fernen roten und infraroten aus der ersten positiven System und ein sichtbares blaues Laserlinie von molekularem Stickstoff positives Ion.

Die metastabile geringeren Lebensdauer beträgt 40 us, so dass der Laser selbst endet, typischerweise in weniger als 20 ns. Diese Art von Selbst-Terminierung wird manchmal als "Engpässen in der unteren Ebene" bezeichnet. Dies ist nur eine Faustregel, wie in vielen anderen Lasern zu sehen ist: Der Helium-Neon-Laser hat auch einen Engpass als eine Zerfallsschritt muss die Wände des Hohlraums und dieser Laser läuft typischerweise im kontinuierlichen Modus. Mehrere organische Farbstoffe mit oberen Ebene Lebensdauern von weniger als 10 ns haben im Dauerbetrieb eingesetzt. Der Nd: YAG-Lasers weist eine obere Ebene Lebensdauer von 230 & mgr; s, aber es unterstützt auch 100 ps Pulsen.

Repetitionsraten kann bis zu einigen kHz, sofern eine ausreichende Gasströmung und Kühlung der Struktur reichen vorgesehen. Kalter Stickstoff ist ein besseres Medium als heißer Stickstoff, und dies scheint einer der Gründe sein, dass die Pulsenergie und Leistungsabfall als die Wiederholungsrate erhöht sich auf mehr als ein paar Impulse pro Sekunde. Es gibt auch, offenbar, Probleme im Zusammenhang mit der Laserkanal verbleibenden Ionen.

Luft, die 78% Stickstoff enthält, kann verwendet werden, aber mehr als 0,5% Sauerstoff vergiftet den Laser.

Optics

Stickstofflaser können innerhalb eines Resonators Hohlraum aufgrund der typischen Verstärkung von 2 pro 20 mm sie öfter arbeiten auf Superlumineszenz allein zu betreiben, aber; obwohl es üblich ist, um einen Spiegel an einem Ende zuge so dass der Ausgang von dem gegenüberliegenden Ende emittiert.

Für einen 10 mm breiten Verstärkungsvolumenbeugungs kommt nach 30 m entlang der Verstärkungsmedium, eine Länge, die unerhört ist ins Spiel. Damit dieser Laser benötigt keine konkave Linse oder Neuausrichtung Linsen und Strahlqualität verbessert sich entlang der Verstärkungsmedium. Die Höhe des gepumpten Volumens kann so klein wie 1 mm, benötigen einen refokussierenden Linse bereits nach 0,3 m. Eine einfache Lösung besteht darin, abgerundete Elektroden mit einem großen Radius zu verwenden, so dass eine quadratische Pumpe Profil erhalten.

Electrical

Das Verstärkungsmedium ist in der Regel durch eine Quer elektrische Entladung gepumpt. Wenn der Druck bei 1013 mbar wird die Konfiguration genannt TEA Laser quer liegenden elektrischen Gasentladung bei Atmosphärendruck, ist dies auch für Drücke bis zu 30 mbar eingesetzt.

Mikroskopische Beschreibung eines schnellen Entladungs

In einem starken äußeren elektrischen Feldes dieses Elektron erzeugt eine Elektronenlawine in der Richtung der elektrischen Feldlinien. Diffusion von Elektronen und elastische Streuung an einem Puffergas Molekül verteilt den Lawinen senkrecht zum Feld. Inelastische Streuung erzeugt Photonen, die neue Lawinen Zentimeter erstellen. Nach einiger Zeit wird die elektrische Ladung in der Lawine so groß, daß nach dem Coulomb-Gesetz es ein elektrisches Feld so groß wie das äußere elektrische Feld erzeugt. Am Bereiche erhöhter Feldstärke der Lawineneffekt wird verstärkt. Dies führt zu Lichtbogen wie Entladungen genannt Luftschlangen. Eine Mischung aus einem Edelgas und Stickstoff erhöhen elastische Streuung von Elektronen über Elektronenvervielfachungs und damit Lawinen und Luftschlangen erweitert.

Funkenstrecken verwenden eine hohe Dichte der Gasmoleküle und eine niedrige Dichte von anfänglichen Elektronen Schlangen begünstigen. Elektronen werden durch eine langsam ansteigende Spannung entfernt wird. Ein Gas hoher Dichte erhöht die Durchbruchfeld, damit kürzere Bögen mit geringeren Induktivität verwendet werden, und die Kapazität zwischen den Elektroden erhöht wird. Eine große Streamer hat eine geringere Induktivität.

Gaslaser verwenden niedrige Dichte der Gasmoleküle und eine hohe Dichte der anfänglichen Elektronen Schlangen verhindern. Elektronen werden durch preionisation durch Sauerstoff nicht entfernt aufgenommen, weil Stickstoff aus Flaschen verwendet. Weit Lawinen mehr Stickstoffmoleküle zu erregen.

Inelastische Streuung heizt ein Molekül, so daß in einem zweiten Streu die Wahrscheinlichkeit der Elektronenemission erhöht wird. Dies führt zu einem Bogen. Typischerweise Lichtbogenbildung auftritt, nachdem Laser in Stickstoff. Der Streamer in der Funkenstrecke entlädt die Elektroden nur durch Ladungsbild, wodurch, wenn der Streamer berührt beide Elektroden der größte Teil der Ladung ist noch verfügbar, um den Bogen zu ernähren, ist eine zusätzliche Ladung an den Verteilerplatten gespeichert. So Bogenbildung in der Funkenstrecke beginnt, bevor Laser.

Bedingungen für gepulste Lawinen Entladungen werden durch Levatter und Lin beschrieben.

Elektrodynamik

Die Elektronik ist eine Schaltung einer Funkenstrecke, einem Kondensator, und die Entladung durch das Stickstoff enthält. Zuerst die Funkenstrecke und der Kondensator aufgeladen. Die Funkenstrecke entlädt sich dann und die Spannung an den Stickstoff aufgetragen.

Eine alternative Konstruktion verwendet zwei Kondensatoren als Blumlein Generator verbunden ist. Zwei Kondensatoren angeschlossen sind, so daß eine Platte ist eine gemeinsame Masse, die anderen sind jeweils an der Funkenstrecke-Elektroden verbunden ist. Diese Kondensatoren sind oft aus einer einzigen Schicht aus Leiterplatte oder einem ähnlichen Stapel von Kupferfolie und dünnen dielektrischen konstruiert. Die Kondensatoren sind durch einen Induktor, einer einfachen Luftspalt Spule verbunden. Einen Kondensator hat auch einen kleinen Funkenstrecke über sie. Bei HT angewendet wird, werden die beiden Kondensatoren langsamer geladen, wirksam von dem Induktor verbunden ist. Wenn der Funkenstrecke seine Auslösespannung erreicht, es entlädt und schnell reduziert, daß der Kondensator des Spannung auf Null. Als Entladungs schnell ist, wirkt die Induktivität als eine offene Schaltung, und so ist die Spannungsdifferenz über die Querfunkenstrecke schnell ansteigt, bis die Hauptfunkenstrecke entlädt, Brennen des Lasers.

Die Geschwindigkeit der beiden Schaltkreis wird in zwei Schritten erhöht. Zuerst wird die Induktivität aller Komponenten durch Verkürzung und Verbreiterung Leiter und durch Zusammendrücken der Schaltung in eine flache Rechteck reduziert. Die Gesamtinduktivität ist die Summe aus den Komponenten:

Die intensive Entladung wird berichtet, Oszilloskope der Nähe verzerren. Dies kann durch den Aufbau der Laser symmetrisch in eine geerdete Zylinder mit der Funkenstrecke am Boden reduziert werden, das Laser am oberen, dem Kondensator 1 links und rechts, und der Kondensator 2 links und rechts auf den Kondensator 1. Dies hat den weiteren Vorteil der gestapelten Verringerung der Induktivität. Und dies hat den Nachteil, dass der Laserkanal nicht zur Funkenbildung nicht mehr kontrolliert werden.

Zweitens wird Leitungstheorie und Wellenleitertheorie angewendet, um eine Wanderwellenanregung zu erreichen. Gemessene Stickstofflaserimpulse sind so lang, dass der zweite Schritt ist unwichtig. Aus dieser Analyse ergibt sich, dass:

der Endspiegel und der Funkenstrecke sind auf der gleichen Seite
eine lange, schmale Laser bei Atmosphärendruck unwirksam

Funkenstrecke

Paschen-Gesetz besagt, daß die Länge der Funkenstrecke ist invers proportional zum Druck. Für eine festgelegte Länge zu Durchmesser-Verhältnis des Funkens ist die Induktivität proportional zur Länge. Wodurch die Elektroden der Funkenstrecke aufgeklebt oder auf einem dielektrischen Abstandshalter-Ring geschweißt. Um die Gefahr durch den Druck zu verringern, wird das Volumen minimiert. Um Funkenbildung zu Außenraum Ring in der Niederdruck der Abstandhalter in der Regel dicker nach außen in einer s-förmig zu verhindern.

Verbindung zwischen Funkenstrecke und Laserkanal basierend auf Wanderfeldtheorie:

Die geringe Induktivität Funkenstrecke kann in einen Streifenleiter eingefügt werden
biconical Funkenstrecke
biconical Funkenstrecke
biconical Funkenstrecke

Die Durchbruchspannung ist niedrig für Helium, Stickstoff und Medium für Hoch für SF6, wenn auch nichts über die Funkendickenschwankungen, sagte.

8E10A / s sind mit einer Funkenstrecke dieses freundlich entspricht den typischen Anstiegszeiten von 1E-8 und typische Ströme 1E3A in Stickstofflaser auftritt möglich.

Eine Kaskade von Funkenstrecken ermöglicht, einen schwachen Triggerimpuls zu verwenden, um einen Streamer in der kleineren Lücke zu initiieren, warten Sie auf den Übergang in einen Bogen, und dann dieser Bogen in die größere Lücke zu erweitern. Immer noch die erste Funkenstrecke in der Kaskade muss ein freies Elektron, mit zu beginnen, so Jitter ziemlich hoch.

Preionisation

Lawinen zu homogenisieren eine Entladung hauptsächlich entlang der Feldlinien schnell. Mit einer kurzen Laufzeit seit dem letzten Laserpuls genug Ionen übrig, so dass alle Lawinen überlappen auch seitlich. Mit niedrigem Druck die maximale Ladungsträgerdichte niedrig ist und die elektromagnetischen angetriebenen Übergang von der Lawine zu entfachen ist gesperrt.

In anderen Fällen ist UV-Strahlung homogenisiert Entlastung langsam senkrecht zu einer Entladung. Diese werden ins Gleichgewicht, indem zwei lineare Ableitungen nebeneinander 1 cm auseinander gebracht. Die erste Entladung ist über eine kleinere Lücke und beginnt früh. Aufgrund der geringen Anzahl von anfänglichen Elektronen Schlangen typischerweise 1 mm voneinander zu sehen sind. Die Elektroden für die erste Entladung durch ein Dielektrikum, das diese Entladung begrenzt bedeckt. Daher ist die Spannung in der Lage, weiter zu steigen, bis Lawinen in den zweiten Spalt zu starten. Das sind so viele, dass sie sich überlappen und begeistern jedes Molekül.

Mit etwa 11 ns die UV-Generation, Ionisation und Elektroneneinfang sind in einer ähnlichen Geschwindigkeit Regimes als Stickstofflaserpulsdauer und damit muss so schnell elektrischen angewendet werden.

Anregung durch Elektronenstoß

Die obere Laserniveau ist effizient angeregt durch Elektronen mit mehr als 11 eV, ist am besten Energie 15 eV. Die Elektronentemperatur in den Streamern erreicht nur 0,7 eV. Helium aufgrund seiner höheren Ionisationsenergie und fehlende Schwingungsanregungen erhöht die Temperatur bis 2,2 eV. Höhere Spannungen erhöhen die Temperatur. Höhere Spannungen bedeuten kürzere Pulse.

Typische Geräte

Der Gasdruck in einem Stickstofflaser im Bereich von einigen mbar bis zu einigen bar. Weiterhin stellt Luft deutlich geringer Ausgangsenergie als reiner Stickstoff oder einem Gemisch aus Stickstoff und Helium. Die Pulsenergie liegt im Bereich von & mgr; J bis mJ und einer Spitzenleistung im Bereich von kW auf mehr als 3 MW erreicht werden. Die zeitliche Pulsbreite beträgt zwischen einigen hundert Pikosekunden und einem Maximum von ungefähr 30 Nanosekunden bei vermindertem Druck, obwohl fwhm Impulsbreiten 6-8 ns typisch.

Amateur Bau

Die Querentladung Stickstofflaser ist seit langem eine beliebte Wahl für Amateur-Hausbau, die aufgrund ihrer einfachen Konstruktion und einfachen Gasbehandlung. Es wurde von Scientific American im Jahr 1974 beschrieben, als eine der ersten Laserhaus Bau Artikeln.