窒素レーザー

窒素レーザーは、電気放電によって 励起された分子状窒素を増幅媒体として用いて、紫外線領域^[1]（通常337.1 nm）で動作するガスレーザーである。

窒素レーザーの電力変換効率は低く、通常は 0.1% 以下ですが、文献では最大 3% の効率を持つ窒素レーザーが報告されています。電力変換効率は、次の 3 つの効率の積です。

• 電気：TEAレーザー^[2]
• ゲイン媒体：これはすべての窒素レーザーに共通であり、少なくとも3％である必要があります。
  • 電子衝撃による反転はフランク・コンドン原理により10対1である。
  • 低レーザーレベルでのエネルギー損失: 40%
• 光学的：自然放出よりも誘導放出が多い

利得媒体は気相中の窒素分子です。窒素レーザーは3 レベル レーザーです。より一般的な4 レベル レーザーとは対照的に、窒素の上位レーザー レベルは直接ポンピングされ、ポンプに速度制限はありません。ポンピングは通常、直接電子衝突によって行われます。電子は十分なエネルギーを持っている必要があり、そうでなければ上位レーザー レベルを励起できません。通常報告されている最適値は、窒素ガスの Torr·cm 圧力あたり 80 ～ 100 eV の範囲です。

低圧ではレーザー寿命の上限は40ナノ秒で、圧力が上昇するにつれて寿命は短くなります。1気圧では寿命はわずか1～2ナノ秒です。一般的に

${\displaystyle t[\mathrm {ns} ]={\cfrac {36}{1+12.8*p[\mathrm {bar} ]}}.}$

最も強い線は、紫外線の337.1 nm の波長にあります。他の線は、やはり紫外線の 357.6 nm で報告されています。この情報は、圧倒的に最も一般的な分子窒素の 2 番目の正のシステムに関するものです。原子間の距離は電子遷移によって変化しないため、2 つの窒素原子の振動は関係ありません。光子の角運動量を伝達するには回転を変える必要があり、さらに、室温では複数の回転状態が存在します。また、最初の正のシステムからの遠赤色と赤外線の線、および分子窒素の正 (1+) イオンからの可視青色レーザー線も あります。

準安定下準位の寿命は 40 μs であるため、レーザーは一般に 20 ns 未満で自己停止します。このタイプの自己停止は、「下準位のボトルネック」と呼ばれることがあります。これは、他の多くのレーザーで見られるように、単なる経験則です。ヘリウム - ネオン レーザーにもボトルネックがあります。これは、1 つの減衰ステップでキャビティの壁が必要であり、このレーザーは通常連続モードで動作するためです。連続モードでは、上準位の寿命が 10 ns 未満のいくつかの有機染料が使用されています。Nd :YAG レーザーの上準位の寿命は 230 μs ですが、100 ps のパルスもサポートしています。

適切なガスの流れと構造の冷却が確保されていれば、繰り返し率は数 kHz まで上げることができます。冷たい窒素は熱い窒素よりも優れた媒体であり、これが繰り返し率が 1 秒あたり数パルス以上に増加するとパルスのエネルギーと出力が低下する理由の 1 つであると思われます。また、レーザー チャネルにイオンが残留する問題もあるようです。

窒素が 78% 含まれる空気も使用できますが、酸素が 0.5% を超えるとレーザーが損傷します。

窒素レーザーは共振器キャビティ内で動作できますが、20 mmごとに2の典型的なゲインのため、多くの場合は超発光のみで動作します。^{[引用が必要]} ただし、出力が反対側の端から放射されるように、一方の端にミラーを配置するのが一般的です。

10 mm 幅のゲイン ボリュームの場合、回折はゲイン媒体に沿って 30 m 後に発生しますが、これは前例のない長さです。したがって、このレーザーには凹レンズや再フォーカス レンズは必要なく、ビーム品質はゲイン媒体に沿って向上します。ポンピング ボリュームの高さは 1 mm ほど小さくなる場合があり、0.3 m 後には再フォーカス レンズが必要になります。簡単な解決策は、半径の大きい丸い電極を使用して、2 次ポンプ プロファイルを取得することです。

ゲイン媒体は通常、横方向の放電によってポンピングされます。圧力が大気圧以上である場合、この構成はTEA レーザーと呼ばれます( TEAは大気圧でのガス中の横方向の放電の頭字語です)。

強力な外部電場では、この電子は電界線の方向に電子雪崩を起こします。電子の拡散と緩衝ガス分子での弾性散乱により、電子雪崩は電界に対して垂直に広がります。非弾性散乱によって光子が生成され、数センチメートル離れた場所に新しい雪崩が発生します。しばらくすると、雪崩の電荷が非常に大きくなり、クーロンの法則に従って、外部電場と同じ大きさの電界が発生します。電界強度が増大した領域では、雪崩効果が強化されます。これにより、ストリーマと呼ばれる電気アークのような放電が発生します。希ガス(最大 0.9) と窒素の混合物は、電子の増殖よりも電子の弾性散乱を強化し、その結果、雪崩とストリーマが広がります。

スパークギャップは、高密度のガス分子と低密度の初期電子を使用してストリーマを促進します。電子は、ゆっくりと上昇する電圧によって除去されます。高密度のガスは破壊電界を増大させるため、より短いアークを低いインダクタンスで使用でき、電極間の容量が増加します。ストリーマが広いほど、インダクタンスは低くなります。

ガスレーザーは、低密度のガス分子と高密度の初期電子を使用してストリーマを防止します。ボトルからの窒素が使用されるため、電子は酸素によって除去されるのではなく、予備イオン化によって追加されます。広い雪崩により、より多くの窒素分子を励起できます。

非弾性散乱により分子が加熱され、2 回目の散乱で電子放出の可能性が高まります。これがアークにつながります。通常、アークは窒素でのレーザー照射後に発生します。スパーク ギャップ内のストリーマはイメージ電荷によってのみ電極を放電するため、ストリーマが両方の電極に触れても、ほとんどの電荷はアークに供給できます。追加の電荷は分配プレート上に蓄積されます。したがって、スパーク ギャップ内のアークはレーザー照射前に始まります。

パルス雪崩放電の条件はLevatterとLinによって説明されている。^[3]

電子機器は、スパークギャップ、コンデンサ、窒素を介した放電 で構成される回路です。まず、スパークギャップとコンデンサが充電されます。次に、スパークギャップが放電し、窒素に電圧が印加されます。

代替構造では、2 つのコンデンサをBlumleinジェネレータとして接続します。^[4] 2 つのコンデンサは、1 つのプレートが共通アースになるように接続され、他のプレートはそれぞれスパーク ギャップ電極に接続されます。これらのコンデンサは、多くの場合、プリント基板の単層、または銅箔と薄い誘電体の同様のスタックで構成されます。コンデンサは、インダクタ (単純なエア スペース コイル) を介して接続されます。1 つのコンデンサには、小さなスパーク ギャップも存在します。HT が適用されると、2 つのコンデンサはゆっくりと充電され、インダクタによって効果的に接続されます。スパーク ギャップがトリガー電圧に達すると、放電してコンデンサの電圧を急速にゼロに下げます。放電が速いため、インダクタは開回路として機能し、横方向のスパーク ギャップ (2 つのコンデンサ間) の電圧差が急速に上昇し、メインのスパーク ギャップが放電してレーザーが発射されます。^[4]

どちらの回路も、速度は 2 段階で増加します。まず、導体を短くしたり広くしたり、回路を平らな長方形に押し込んだりして、すべてのコンポーネントのインダクタンスを減らします。総インダクタンスは、コンポーネントの合計です。

激しい放電により、近くのオシロスコープが歪むことが報告されています。レーザーを接地された円筒に対称的に組み込み、スパークギャップを下部に、レーザーを上部に、コンデンサ 1 を左右に、コンデンサ 2 をコンデンサ 1 の上に重ねることで、この歪みを軽減できます。この方法には、インダクタンスが低減するというさらなる利点があります。また、レーザー チャネルのスパークを検査できなくなるという欠点もあります。

次に、伝送線路理論と導波路理論を適用して進行波励起を実現します。測定された窒素レーザーパルスは非常に長いため、2 番目のステップは重要ではありません。この分析から次のことがわかります。

• エンドミラーとスパークギャップは同じ側にあります
• 大気圧下では細長いレーザーは効果がない

パッシェンの法則によれば、火花ギャップの長さは圧力に反比例します。火花の長さと直径の比率が一定であれば、インダクタンスは長さに比例します（出典 [1]、ダイポールアンテナと比較）。したがって、火花ギャップの電極は誘電体スペーサーリングに接着または溶接されます。圧力による危険を減らすために、体積は最小限に抑えられます。低圧時にスペースリングの外側で火花が飛ぶのを防ぐため、スペーサーは通常、外側に向かって S 字型に厚くなります。

進行波理論に基づくスパークギャップとレーザーチャネル間の接続:

• 低インダクタンスのスパークギャップはストリップ伝送線路に挿入することができる。
• 双円錐形スパークギャップ
• 双円錐形スパークギャップ
• 双円錐形スパークギャップ

破壊電圧はヘリウムでは低く、窒素では中程度、SF _{6では高いが}^[5]、 火花の厚さの変化については何も述べられていない。

^{スパークギャップでは8×10 10} A/sもの立ち上がり時間 が可能です。^[6]これは窒素レーザーで発生する典型的な立ち上がり時間1×10 ⁻⁸  sと典型的な電流1×10 ³  Aとよく一致しています。

スパークギャップのカスケードにより、弱いトリガーパルスを使用して小さなギャップでストリーマを開始し、それがアークに移行するのを待ち、次にこのアークが大きなギャップに広がるのを待つことができます。^[7]それでも、カスケードの最初のスパークギャップには自由電子が必要なので、ジッターはかなり高くなります。

雪崩は主に磁力線に沿って放電を急速に均一化します。最後のレーザー パルスからの持続時間が短い (<10 ms) ため、十分なイオンが残っているため、すべての雪崩が横方向にも重なります。圧力が低い (<100 kPa) ため、最大電荷キャリア密度が低く、雪崩から火花への電磁駆動遷移が抑制されます。

他のケースでは、UV 放射が放電を放電に対して垂直にゆっくりと均一化します。これらは、2 つの線状放電を 1 cm 離して隣り合わせに配置することでバランスが取れます。最初の放電は、より小さなギャップを横切って早く始まります。初期電子の数が少ないため、通常 1 mm 間隔で流れが見られます。最初の放電の電極は誘電体で覆われており、この放電が制限されます。そのため、2 番目のギャップで雪崩が始まるまで、電圧はさらに上昇します。雪崩の数が多いため、すべての分子が重なり合って励起されます。

約 11 ns では、UV 生成、イオン化、電子捕獲は窒素レーザーのパルス持続時間と同様の速度領域にあるため、高速の電気を適用する必要があります。

レーザーの上部準位は 11 eV 以上の電子によって効率的に励起され、最高エネルギーは 15 eV です。ストリーマー内の電子温度はわずか 0.7 eV です。ヘリウムはイオン化エネルギーが高く、振動励起がないため、温度は 2.2 eV まで上昇します。電圧が高いほど温度も上昇します。電圧が高いほどパルスは短くなります。^[8]

窒素レーザーのガス圧は、数 mbar から数 bar に及びます。空気は、純粋な窒素または窒素とヘリウムの混合物よりも大幅に出力エネルギーが低くなります。パルスエネルギーは 1 μJ から約1 mJ の範囲で、1 kW から 3 MW のピーク電力を実現できます。パルス持続時間は、数百ピコ秒 (窒素の分圧が 1 気圧の場合) から減圧 (通常は数十 Torr) 時の約 30 ナノ秒まで変化しますが、FWHMパルス幅は 6 ns から 8 ns が一般的です。

横放電窒素レーザーは、構造が簡単でガスの取り扱いが簡単なため、アマチュアの住宅建築に長い間人気がありました。 1974年にサイエンティフィック・アメリカン誌で、最初のレーザー住宅建築記事の1つとして紹介されました。^[4]この空気レーザーには空洞がないため、この装置は厳密にはレーザーではなく、増幅誘導放出（ASE）を使用しています。

• 色素レーザーの横方向光ポンピング^[9]
• 大気汚染の測定（LIDAR）
• マトリックス支援レーザー脱離/イオン化
• レーザー記事一覧

• Mark Csele 教授の自作レーザーのページ
• TEAレーザープロトタイプの例
• サムのレーザーに関する FAQ/自作窒素 (N2) レーザー
• 1974年6月号のサイエンティフィック・アメリカン誌122ページに掲載されたアマチュア科学者コラムの最新版。
• 小型高出力 N2 レーザー: 回路理論と設計 Adolph Schwab & Fritz Hollinger IEEE Journal of Quantum Electronics、QE-12、第 3 号、1966 年 3 月、p.183