Газовые лазеры

Энергетические уровни в газах уширены слабо, т. к. столкновительное уширение мало из-за малого давления газов (несколько мм рт. ст.) и ширина линий определяется главным образом доплеровским уширением. В связи с этим в газовых лазерах не используется оптическая накачка. Газовые лазеры накачиваются, как правило, электрически.

Из возбужденного состояния частица может перейти на более низкие энергетические уровни (в том числе и на основной) благодаря следующим процессам:

1. столкновениям возбужденной частицы с электроном, при которых частица передает свою энергию электрону (столкновения второго рода);

2. столкновениям между атомами (в газовой смеси, состоящей из более чем одной компоненты);

3. столкновениям частиц со стенками сосуда,

4. спонтанному излучению (необходимо учитывать захват излучения (переизлучение), которое уменьшает эффективную вероятность спонт. излучения).

Механизм создания инверсии в газовых лазерах сложный. Инверсия населенностей между двумя заданными уровнями возникает при выполнении следующих условий: 1) скорость возбуждения верхнего лазерного уровня больше, чем нижнего, и 2) скорость релаксации верхнего уровня меньше, чем нижнего. Второе условие необходимо для реализации непрерывной генерации.

Гелий-неоновые лазеры (лазеры на нейтральных атомах)

Генерация в He – Ne-лазерах осуществляется на переходах атома неона, а гелий добавляется в газовую смесь для существенного повышения эффективности накачки. Лазер генерирует на многих длинах волн, из которых наиболее известна линия с λ=633 нм (красная). Среди других линий – зеленая на длине волны λ=543 нм и две линии в ИК-диапазоне с λ=1,15 мкм и 3,39 мкм.

На рис. Приведена упрощенная схема энергетических уровней гелия и неона. Уровни обозначены в соответствии с приближение связи Рассела-Сандерса. Атомное число неона равно 10, и в основном состоянии его десять электронов образуют конфигурацию 1s²2s²2p⁶. Показанные на рис. возбужденные состояния соответствуют ситуациям, в которых один из 2p-электронов заброшен в возбужденное s-состояние (3s, 4s или 5s) или возбужденное p-состояние (3p и 4p). Из рис. видно, что уровни гелия 2³S и 2¹S являются близкими к резонансу с 4s- и 5s-состояниями неона. Поскольку уровни 2³S и 2¹S метастабильны (переходы S→S запрещены в электродипольном приближении; более того, переход 2³S → 1¹S запрещен ещё и с точки зрения изменения мультиплетности), гелий в этих состояниях оказывается весьма эффективным средством для накачки 4s- и 5s-уровней Ne посредством резонансной передачи энергии. В He-Ne-лазере этот процесс является доминирующим для получения инверсии населенностей, хотя накачка осуществляется также и за счет столкновения электронов с атомами неона.

Одна из наиболее характерных черт He – Ne-лазера состоит в том, что при увеличении тока разряда выходная мощность достигает максимума, а затем уменьшается. Поэтому промышленные He – Ne-лазеры снабжаются источником

питания, рассчитанным только на оптимальный ток. Наличие оптимального тока (по крайней мере, для переходов 0,633 и 3,39 мкм) связано с тем, что при высоких плотностях тока дезактивация метастабильных состояний (2¹S и 2³S) происходит не только посредством диффузии к стенкам, но и при сверхупругих столкновениях типа

По мере увеличения плотности тока разряда разность населенностей растет до некоторого максимального значения, а затем уменьшается. Следовательно, усиление лазера, а с ним и выходная мощность будут иметь максимальное значение при некоторой конкретной плотности тока.

Генерирующие на красном переходе He – Ne-лазеры широко используются там, где требуется маломощный пучок в видимом диапазоне: при юстировке, считывании изображений, в метрологии, голографии, создании памяти на видеодисках.

СО₂-лазер

В этом лазере используется специальная смесь газов CO₂, N₂ и He. Генерация происходит между двумя колебательными уровнями молекулы CO₂, а азот и гелий значительно повышают КПД лазера. СО₂-лазер является одним из самых мощных лазеров (от газодинамического получены мощности до 80 кВт) и одним из наиболее эффективных (дифференциальный КПД 15 – 20 %). Более высокий КПД имеют лишь полупроводниковые лазеры.

рис

На рис. приведены схемы энергетических уровней основных электронных состояний молекул CO₂ и N₂. Поскольку N₂ – двухатомная молекула, она имеет лишь одну колебательную моду; на рис. показаны два нижних уровня (v=0, v=1). Структура энергетических уровней CO₂ более сложная, поскольку эта молекула является трехатомной. Здесь имеются три невырожденные колебательные моды (след. рис.): 1) симметричная валентная мода; 2) деформационная мода; 3) асимметричная валентная мода. Поэтому колебания молекулы описываются тремя квантовыми числами n₁, n₂, n₃, которые определяют каждую колебательную моду. Соответствующий уровень определяется тремя квантовыми числами в последовательности n₁, n₂, n₃. Например, уровень 01¹0 соответствует колебанию, деформационная мода которого имеет один колебательный квант (верхний правый индекс при квантовом числе, соответствующем деформационной моде, возникает из-за того, что деформационная мода является в данном случае дважды вырожденной). Генерация происходит на переходе между уровнями 00⁰1 и 10⁰0 (λ≈10,6 мкм), хотя можно получить генерацию также и на переходе между уровнями 00⁰1 и 02⁰0 (λ≈9,6 мкм).

Накачка на верхний лазерный уровень 00⁰1 происходит очень эффективно благодаря следующим двум процессам.

а) непосредственное столкновение с электронами. Основной тип непосредственного столкновения, который следует рассматривать , имеет вид . Сечение столкновения с электроном для данного процесса очень велико и намного превышает соответствующее сечение возбуждения уровней 100 и 020. Возможно это связано с тем, что переход 000→001 оптически разрешен , а переход 000→100 нет. Прямой электронный удар может приводить также к возбуждению верхних (00n) колебательных уровней. Однако молекула CO₂ быстро релаксирует с верхних состояний в состояние 001 посредством околорезонансных столкновений. Наиболее вероятно, что данный процесс обусловлен столкновением возбужденной и невозбужденной молекул.

б) Резонансная передача энергии от молекулы N₂. Этот процесс также эффективен благодаря тому, что разница энергий между возбужденными состояниями молекул CO₂ и N₂ невелика (ΔЕ=18 см^-1). Кроме того, очень эффективен процесс возбуждения молекулы N₂ из основного состояния на уровень v=1 при столкновениях с электронами, прочем уровень v=1 является метастабильным. Более высокие колебательные уровни N₂ находятся почти в резонансе (ΔЕ<kT) с соответствующими уровнями CO₂ (вплоть до уровня00⁰4).

Время релаксации верхних уровней велико, и определяется в большей мере столкновениями (τ_S≈0,4 мс). Релаксация нижнего уровня: вероятность перехода 100→020 очень велика и этот переход происходит даже в изолированной молекуле. Разность энергий этих двух уровней меньше kT, также в этом переходе задействованы другие процессы (резонанс Ферми, VV-релаксация) Помимо этого, добавка гелия приводит к очень эффективной передаче энергии нижнего лазерного уровня CO₂ через столкновения атомам гелия. И время жизни составляет около 20 мкс. Т.О. частицы накапливаются на верхнем уровне. Наличие гелия приводит к другому важному эффекту: за счет своей высокой теплопроводности гелий способствует поддержанию низкой температуры CO₂ за счет отвода теплоты к стенкам. Таким образом, благоприятное воздействие, которое оказывают на лазер N₂ и He, объясняется тем, что N₂ способствует заселению верхнего лазерного уровня, а He – обеднению нижнего.

Генерация в CO₂-лазере может осуществляться на переходе 00⁰1→10⁰0, λ=10,6 мкм, либо 00⁰1→02⁰0, λ=9,6 мкм. Для генерации на более низкой частоте в резонатор помещают частотно-селективное устройство. Помимо всего прочего необходимо учесть, что лазерные уровни состоят из близко расположенных вращательных уровней. Основной вклад в ширину линии дает эффект Доплера, но необходимо учитывать и столкновительное уширение. Число мод при генерации зависит от давления газовой смеси.

Конструктивно CO₂-лазеры подразделяются на семь типов: 1) лазеры с медленной продольной прокачкой; 2) лазеры с быстрой продольной прокачкой; 3) отпаянные лазеры; 4) волноводные лазеры; 5) лазеры с поперечной прокачкой; 6) лазеры с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (ТЕА-лазеры); 7) газодинамические лазеры.

г) Волноводные лазеры

Если диаметр лазерной трубки уменьшить до 2 – 4 мм, то лазерное излучение распространяется как в волноводе. Такие волноводные CO₂ – лазеры имеют низкие дифракционные потери. Наилучшие характеристики получаются с трубками из BeO или SiO₂. Главным преимуществом волноводного CO₂ – лазера является то, что благодаря небольшому диаметру отверстия давление смеси должно быть высоким (100 – 200 мм рт. ст.). Возрастание давления приводит к увеличению усиления на единицу длины. Это означает, что можно изготовить короткие лазеры, не сталкиваясь с трудной задачей уменьшения потерь в резонаторе. Однако мощность, снимаемая с единицы длины, все же ограничена. Волноводные CO₂ – лазеры играют особенно важную роль, когда необходимо иметь компактные лазеры низкой мощности, до 30 Вт. Компактные лазеры работают, как правило, в отпаянном режиме. Реализованы две конструкции лазеров: с продольным разрядом и с поперечной накачкой от высокочастотного источника. Последняя конструкция допускает намного более низкие напряжения на электродах. Высокочастотное (ν≈30 МГц) возбуждение обладает многими преимуществами. Вот некоторые из них: 1) в этой схеме отсутствуют постоянные анод и катод, и поэтому отсутствуют трудности, связанные с химическими процессами в газе вблизи катода; 2) благодаря включению последовательно с разрядом простых элементов, не рассеивающих энергии (например, диэлектрической пластины), обеспечивается устойчивый разряд. Трубку волноводного CO₂ – лазера либо вообще не охлаждают, либо охлаждают для отбора максимальной мощности.