Газовые лазеры

В газах размытость энергетических уровней ничтожна, так как атомы, молекулы и ионы слабо взаимодействуют между собой. Поэтому газовые лазеры обладают самой высокой степенью моно­ моно­хроматичности и когерентности. Направленность их излучения так­же значительно выше, нежели в лазерах других типов. Газовые лазеры получили самое широкое распространение.

Рис. 22. Схема гелий-неонового лазера

Рис. 23. Энергетическая диа­грамма квантовых переходов

ге­лий-неонового лазера

Гелий-неоновый лазер. Он явился первым газовым источником когерентного света, работающим в непрерывном режиме. Схема гелий-неонового лазера приведена на рис. 22. Продольная ось стеклянной или кварцевой трубки 2 со смесью газов гелия и нео­на перпендикулярна поверхности зеркал 4. Торцы трубки 5 скошены под углом Брюстера для обеспечения строго поляризован­ной волны. Между анодом 1 и термокатодом 3 приложено по­стоянное напряжение для обеспечения тлеющего разряда.

Переходя к процессу образования инверсной населенности, отметим, что рабочим веществом является неон. Из всей совокуп­ности его квантовых переходов в гелий-неоновом лазере исполь­зуется рабочий переход 6—3 (рис. 23). Колебания с другими частотами (переходы 6—4; 4—3) подавляются. Частота (длина волны) рабочего перехода 6—3 находится в оптическом диапазо­не. Таким образом, необходимо обеспечить инверсию населенностей 6-го и 5-го уровней. Для этой цели здесь используется метод бомбардировки электронами, которые в газоразрядном промежут­ке обладают различными запасами энергии. В процессе соударе­ний с атомами основного уровня 1 электроны передают им часть своей энергии, в результате чего происходит заселение всех верх­них уровней. Однако чем ниже расположен уровень, тем интенсив­нее он заселен. Поэтому только из-за электронного возбуждения Невозможно добиться инверсии населенностей, т. е. на уровне 6 всегда будет меньше атомов, чем на уровне 3.

Для избирательного заселения определенного уровня исполь­зуют вспомогательный (буферный) газ, энергетическая диаграмма которого должна удовлетворять определенным требованиям. Ос­новной и верхний уровни должны быть такими же, как и в рабо­чем газе, а нижний уровень излучательного перехода (в данном случае уровень 3) в буферном газе должен отсутствовать. Этим требованиям применительно к неону удовлетворяет гелий (рис. 23). Его переход используется для создания активной среды в неоне на переходе 6—3. Что же касается промежуточного уровня II в атоме гелия, то он для инверсии не используется и только снижает КПД.

Инверсия населенностей в неоне на переходе 6—3 осуществля­ется следующим образом. Помимо соударений атомов обоих газов со свободными электронами наблюдаются также неупругие соуда­рения атомов гелия верхнего уровня III с атомами неона основ­ного уровня 1. Поскольку энергетические расстояния между край­ними уровнями в обоих газах совпадают, то излученный атомом гелия III уровня квант может поглотиться атомом неона только основного уровня 1. При этом атом неона неизбежно перейдет на уровень 6. Эффективность передачи энергии от гелия к неону обес­печивается тем, что время жизни гелия на уровне III велико, око­ло 10^-3с. Аналогично происходит заселение уровня 4 в неоне.

Для ослабления обратного процесса — передачи энергии от не­она к гелию — концентрация последнего должна быть избыточной. Поэтому отношение парциальных давлений гелия и неона в смеси выбирают равным 5... 15 при общем давлении порядка 1 мм рт. ст.

Таким образом, из-за резонансной передачи энергии атомами гелия происходит заселение уровней 6 и 4 в зоне, однако заселен­ность уровня 4 не используется. Поскольку время жизни на уров­не 6 больше, чем на уровне 3, инверсия населенностей достигает­ся легко. При этом самое главное то, что уровень 3 неона посред­ством атомов гелия не заселяется, ибо в гелии такого уровня нет. Следовательно, населенность уровня 6 окажется больше, чем 3.

Переходя к особенностям конструкции трубки, отмечаем, что они вызваны в основном низким КПД. Его малая величина обус­ловлена тем, что рабочий переход значительно удален от основного уровня I. Поэтому эффективность накачки низка. Следова­тельно, должны быть приняты меры для уменьшения потерь в ре­зонаторе, т. е. для повышения его добротности. В частности, сле­дует уменьшить потери мощности на торцах трубки из-за отра­жений. Для этого торцевые окна располагают под углом Брюстера.

В результате волна с плоскостью поляризации, лежащей в плоскости падения, проходит через плоскопараллельную пластину без отражения, т. е. без потерь. Излучение с любой поляризацией подвержено потерям (из-за отражения уходит в сторону). Торцовые окна располагают так, чтобы нормаль окна образовала с осью трубки угол Брюстера. При этом излучение только с одной поля­ризацией будет проходить без потерь на отражение к зеркалам резонатора и обратно. Поскольку генерация в лазере начинается со спонтанного излучения, первичные фотоны имеют произволь­ную поляризацию, но окна Брюстера пропустят фотоны только одной поляризации. Отобранные таким способом фотоны в активной среде вызовут стимулированное излучение фотонов с той же поляризацией. Применение окон Брюстера позволяет не только уменьшить потери в резонаторе, но и упорядочить поляризацию.

Особенностью конструкции гелий-неонового лазера является критичность диаметра трубки. Интенсивность излучения тем вы­ше, чем меньше населенность уровня 3 неона. Поэтому его опус­тошение должно быть достаточно интенсивным. Оно проходит в два этапа. Сначала атомы спонтанно переходят с уровня 3 неона на уровень 2, вызывая обычное некогерентное свечение неона. С уровня же 2 атомы неона переходят на уровень 1 в основном из-за соударений со стенками трубки в результате диффузии. Для облегчения диффузии возбужденных атомов к стенкам трубки следует уменьшить ее диаметр. Поэтому в гелий-неоновых лазерах диаметр газоразрядной трубки не превышает 10 мм.

Что же касается режима работы, то он также имеет особен­ности. Одна из них заключается в немонотонной зависимости вы­ходной мощности от тока разряда в трубке. При на­чальном увеличении тока возрастает инверсия населенностей и выходная мощность повышается. При чрезмерном увеличении то­ка проявляется электронное возбуждение атомов уровня 2 неона. В результате заселяется уровень 3 неона, инверсия населенностей перехода 6—3 снижается и выходная мощность падает вплоть да срыва генерации.

Таким образом, выходная мощность гелий-неонового лазера ограничена. Ее не удается повысить и в результате повышения давления в трубке, так как при этом увеличивается концентрация атомов и уменьшается длина свободного пробега электронов. По­этому они не могут приобрести энергию, достаточную для перево­да атомов на верхние уровни.