Учебное пособие: Эксимерные лазеры

3.2.2 Лазерная хирургия. Пример пересчета параметров лазерного излучения

Литература

Введение

Эксимерные лазеры - один из самых интересных видов лазеров. Излучение источников, относящихся к этому виду, в спектральном диапазоне занимает промежуток от 126 нм до 558 нм. Благодаря такой малой длине волны излучение эксимерных лазеров может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера. Мощность этих источников достигает единиц кВт. Эксимерные лазеры относятся к импульсным источникам. Частота повторения импульсов может доходить до 500 Гц. Этот вид лазеров имеет очень высокий квантовый выход и, как следствие, достаточно высокий КПД (до 2 - 4%).

Благодаря таким необычным характеристикам, излучение эксимерных лазеров находит применение во многих областях и приложениях. Они используются в клиниках при проведении операций (на радужной оболочке глаза и других), где необходимо выжигание тканей. На основе этих лазеров созданы микрофотолитографические установки для тонкого травления материалов при создании электронных печатных плат. Широкое применение нашли эксимерные лазеры в экспериментальных научных исследованиях.

Однако, все эти замечательные характеристики эксимерных лазеров влекут за собой некоторые трудности при их изготовлении и создании установок на их основе. Например, при столь высокой мощности излучения необходимо препятствовать образованию дуги в активной газовой смеси. Для этого необходимо усложнить механизм накачки с целью сокращения длительности ее импульса. Коротковолновое излучение эксимерных лазеров требует использования специальных материалов и покрытий в конструкциях резонаторов, а также в оптических системах для преобразования их излучения. Поэтому одним из недостатков источников этого вида является высокая, по сравнению с другими видами лазеров, стоимость.

1. Теоретические основы

1.1 Активная среда

Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Но, в отличие от лазеров на CO, CO₂ или N₂ , генерация в эксимерных лазерах происходит не на переходах между различными колебательно-вращательными состояниями, а между различными электронными состояниями молекул. Существуют вещества, которые в основном состоянии не могут образовывать молекулы (их частицы в невозбужденном состоянии существуют лишь в мономерной форме). Это происходит, если основное состояние вещества соответствует взаимному отталкиванию атомов, является слабосвязанным, либо связанным, но при наличии больших межъядерных расстояниях (рис.1).

Рисунок 1: а - резко отталкивательная кривая; б - плоская кривая; в - кривая связанного состояния на больших межъядерных расстояниях

Молекулы рабочего вещества эксимерных лазеров грубо можно разделить на два вида: образованные частицами одного и того же вещества и частицами двух различных веществ. В соответствии с этим сами активные среды можно назвать "эксимеры" (excimer, exciteddimer - возбужденный димер) и "эксиплексы" (exciplex, excitedcomplex - возбужденный комплекс).

Процесс получения генерации в эксимерном лазере удобно рассмотреть с помощью рисунка 2, на котором представлены кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний двухатомной молекулы А₂ .

Рисунок 2. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула А₂ * может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) - связанно-свободный переход.

Этот переход характеризуется следующими важными свойствами:

При переходе молекулы в основное состояние в результате генерации она немедленно диссоциирует;

Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным.

Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция.

Если нижнее состояние является слабосвязанным, то молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов - квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице 1.

Таблица 1

Эксимерные комплексы	Квазимолекулы благородных газов			Окислы благородных газов			Пары металлических соединений
Активная квазимолекула	Xe2 *	Kr2 *	Ar2 *	ArO*	KrO*	XeO*	CdHg*
λген , нм	172	145,7	126	558	558	540	470
∆λ, нм	20	13,8	8	25
Римп , МВт (Рср , Вт)	75	50
τ, нс	10	10	4-15
Активная квазимолекула	XeBr*	XeF*	ArF*	ArCl*	XeCl*	KrCl*	KrF*
λген , нм	282	351	193	175	308	220	248
∆λ, нм	1	1,5	1,5	2	2,5	5	4
Римп , МВт (Рср , Вт)	(100)	3	1000	(0,02)	(7)	5 (0,05)	1000
τ, нс	20	20	55	10	5	30	55

Для получения квазимолекул благородных газов используются чистые газы, находящиеся под давлением в десятки атмосфер; для получения окислов благородных газов - смесь исходных газов с молекулярным кислородом или соединениями, содержащими кислород, в соотношении 10000: 1 под таким же давлением; для получения галогенидов благородных газов - их смеси с галогенами в соотношении 10000: 1 (для аргона и ксенона) или 10: 1 (для ксенона или криптона) при общем давлении 0,1 - 1 МПа.

1.1.1 Лазеры на галогенидах инертных газов