3.5 Газовые лазеры
3.5.1 Основные положения
Это лазеры с активной средой в виде газов, паров или их смесей. Как и все виды лазеров, газовый лазер состоит из следующих элементов:
активная среда, обладающая усилением на одной или нескольких линиях в оптическом диапазоне;
оптический резонатор для создания положительной обратной связи
устройство накачки для создания инверсной населенности уровней.
Ряд физических процессов, приводящих к инверсии населенностей, создает большое многообразие типов, характеристик и режимов работы газовых лазеров. Газовые лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах, существенно отличаются как конструктивно, так и по характеристикам.
По характеру возбуждения газовой среды (накачки) газовые лазеры различаются на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением, газовые лазеры с возбуждением заряженными частицами, газодинамические лазеры, химические лазеры.
По типу переходов, на которых возбуждается генерация, газовые лазеры различаются на: лазеры на атомных переходах; ионные лазеры; молекулярные на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул; эксимерные лазеры.
Газовые лазеры являются наиболее распространенным типом лазеров. Они излучают на волнах от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона (0,16 – 16 мкм) и обладают самой высокой степенью когерентности по сравнению со всеми другими лазерами. Газовая среда имеет хорошую оптическую однородность, поэтому позволяет получать наименьший угол расхождения оптического пучка. Они способны излучать в широком интервале мощностей от 100 мкВт до 1 МВт в непрерывном режиме и до одного терраватта в импульсном режиме. Этому способствует возможность быстрой прокачки газовой активной среды через оптический резонатор.
3.5.2 Газоразрядные лазеры
В газоразрядных лазерах инверсная населенность уровней создается за счет возбуждения атомов при их соударении с быстрыми свободными электронами в газовом разряде.
Для повышения устойчивости разряда в лазерах с высоким давлением газа (выше атмосферного) используют предионизацию разрядного объема пучком заряженных частиц или вспомогательным излучением (оптическим или рентгеновским).
В газоразрядных лазерах на атомных переходах непрерывная или импульсная генерация создается на квантовых переходах, в основном на атомах инертных газов, путем прямого электронного удара за счет тлеющего или высокочастотного разряда.
Первым газовым лазером подобного типа был гелий-неоновый лазер на нейтральных атомах. Активной средой в нем является смесь двух газов: гелия (He) и неона (Ne), а лазерными уровнями – энергетические уровни возбужденных атомов Ne. Для создания инверсии населенностей используется электрическая накачка в виде тлеющего разряда в газоразрядной трубке (рис.3.4).
При разряде вследствие неупругих столкновений со свободными электронами происходит возбуждение атомов гелия, которые могут переходить на метастабильные уровни II и III. Энергия возбужденных атомов He передается далее атомам Ne. Атомы неона переходят в возбужденное состояние 2s или 3s, а атомы He в основное состояние I. Атомы гелия являются посредниками при передаче энергии от быстрых электронов к атома неона. Поэтому гелий можно назвать вспомогательным, а неон – основным или рабочим газом. Рабочий переход 3s - 3p соответствует длине излучения 3,39 мкм. Однако наиболее используемым является переход 3s - 2p с длиной волны излучения 0,6328 мкм (красный свет).
В настоящее время получена генерация на более, чем 450 переходах между уровнями нейтральных атомов. Эти лазеры работают в непрерывном режиме, который обеспечивается газоразрядной накачкой.
Рис. 3.4 Схема газоразрядного лазера
В ионных лазерах непрерывная и импульсная генерация – создаётся возбуждением переходов атомарных ионов различной кратности (рис. 3.5). Наиболее распространены непрерывные лазеры, в которых используются одно и дважды ионизированные инертные газы: Xe, Kr, Ar, Ne.
Аргоновый лазер
генерирует излучение в сине – зелённой
области спектра на длинах волн от 0,454
мкм до 0,528 мкм. Заселение верхних рабочих
уровней в нём осуществляется через
основное и метастабильное состояние
иона, нижние рабочие уровни быстро
опустошаются за счёт спонтанного
излучения (рис 3.5). Для возбуждения
аргонового лазера применяется сильноточный
разряд в узких трубках с плотностями
тока порядка сотен
.
Мощность излучения аргоновых лазеров
может достигать в непрерывном режиме
сотен ватт при КПД порядка 1 % с
использованием интенсивного жидкостного
охлаждения (рис 3.6). Увеличение концентрации
электронов в узких капиллярных трубках
создается их фокусировкой к центру
продольным магнитным полем.
Рис.3.5. Структура энергетических уровней ионного лазера
