Механизмы создания инверсии в газоразрядных лазерах.

Газовым разрядомназывается совокупность процессов, связанных с прохождением электрического тока через газообразную среду.

При возникновении разряда образуется газоразрядная плазма (особая среда), для которой характерна значительная концентрация заряженных и возбуждённых частиц.

В газовых лазерах используется тлеющий разряд и дуговой. Используется накачка с помощью постоянного тока, как непрерывного, так и импульсного, а также высокочастотное возбуждение.

К возбуждению частиц и образованию инверсии приводят следующие процессы:

- прямое электронное возбуждение (неупругие соударения электронов с частицами)

e + A → e + A*

- ступенчатое электронное возбуждение

e + A* → e + A**

Кроме этих процессов в случае использования вспомогательных (примесных) газов указанные процессы могут дополняться возбуждением основного газа за счёт соударений и резонансного обмена энергией между частицами вспомогательного и основного газов:

e + B = e + B*

B* + A = B = A*,

где А– частицы основного газа.

В– частицы вспомогательного газа (примесного газа).

Этот механизм значительно увеличивает эффективность создания инверсии в газоразрядных лазерах, так как позволяет селективно заселять верхние рабочие (лазерные) уровни.

Кроме того, примесные газы используются для более эффективного охлаждения, разгрузки нижних лазерных уровней (например, Не в лазере на СО₂).

Газовые лазеры используют как продольный, так и поперечный электрический разряд.

Л

азеры сповышенным давлением(до атмосферного и большего) используютпоперечный электрический разряд, анизкого давления(единицы, десятки тор), как правило,продольный разряд.

Для охлаждения рабочей смеси газовые лазеры используют как продольный, так ипоперечныйпродув газа, причёмпоперечный продув является более эффективным, так как смена смеси происходит быстрее, чем при продуве вдоль кюветы (см. рис.), так как ширина кюветы значительно меньше ее длины:h<<l.

Газовые лазеры повышенного давления, используютпоперечный электрический разрядипоперечный продуви обозначаются какТЕА лазеры.

Для обеспечения равномерного электрического разряда во всём объёме рабочей смеси ТЕА лазеров используется система предионизации, создающая в рабочем объёме газа достаточное количество заряженных частиц (электронов и ионов) перед моментом подачи основного напряжения между электродами.

Для преионизации ТЕА лазеров используются электронные пушки, УФ излучение, скользящий разряд.

Чем больше давление газа, тем больше концентрация активных частиц в единице объёма и, соответственно,больше удельный энергосъём.

В лазерах низкого давленияуширение линии излучения определяется, в основном, эффектом Доплера и носит неоднородный характер, а при значительных давлениях превалируют столкновительные процессы, определяющие однородное уширение.

Таким образом, характер уширения линии излучения зависит от давления газа.

В атомарныхлазерах используютсяэлектронные переходы(переходымежду электронными уровнями), а вмолекулярных, в основном – переходымежду колебательными и вращательными уровнями.

М

олекулярные лазеры дают наиболее длинноволновое излучение, так как используют переходы между колебательными и вращательными уровнями: энергия переходов между которыми значительно меньше, чем между электронными уровнями:∆E_эл <<∆E_к<< ∆E_вр.

Характеристики излучения газовых лазеров зависят как от общего давления газа, так и от парциальных давлений компонентов смеси (их соотношения) – основного и вспомогательного газа.

В ионных лазерахнеобходимо использоватьвысокие плотности тока, т.к. кроме возбуждения ионов необходимо создать их высокую концентрацию из нейтральных атомов.

Особенностью электроионизационных лазеров является возможность обеспечения оптимальных значений энергий электронов для возбуждения нужных уровней энергии, что невозможно реализовать в лазерах с самостоятельным электрическим разрядом. Поясним это.

В газоразрядных лазерах энергия электронов расходуется как на создание проводящей плазмы, так и на возбуждение активных частиц. При этом оптимумы энергии для этих двух функций различны. Разделение этих функций осуществляется в электроионизационных лазерах, использующих несамостоятельный заряд.

Рассмотрим в качестве примера некоторые типы газоразрядных лазеров.