3.1. Коэффициент усиления активной среды

Ненасыщенный коэффициент усиления газовой среды сложным образом зависит от величины тока I, давления p и процентного содержания неона . Эти зависимости имеют оптимальный характер. В то же время коэффициент усиления примерно обратно пропорционален диаметру разрядной трубки d, что обусловлено снижением скорости расселения состояния 1s (возрастает время диффузии атомов неона к стенкам трубки).

Для расчета ненасыщенного коэффициента усиления в центре спектральной линии может быть использовано следующее выражение:

. (3.1)

Размерности величин в этой формуле: k [1/cм]; I [мА]; p [мм рт. ст.]; d [см].

При первоначальном выборе значений I, p, d,  можно ориентироваться на следующие экспериментальные данные, определяющие условие достижения максимальной мощности излучения:

- произведение pd = 3…4 мм рт. ст.ּмм;

- соотношение компонентов смеси He-Ne: (3…4):1 при d = 8 мм, (4…5):1 при d = 5 мм, (5…7):1 при d = 3 мм, (7…8):1 при d = 1,5 мм;

- оптимальный ток I(мА) = (7…18) d (мм);

- коэффициент усиления  410^-4 / d.

Зависимость коэффициента усиления активной среды гелий-неонового лазера от интенсивности излучения определяется действием двух механизмов уширения спектральной линии: доплеровского (неоднородного), который вносит основной вклад в результирующую ширину линии, и столкновительного (однородного), пропорционально возрастающего с величиной давления.

Экспериментально полученные зависимости столкновительного уширения _одн (ГГц) и параметра насыщения J_s (Вт/см²) от давления p(мм рт. ст.) представлены в виде соотношений:

_одн = ( 0,14…0,17 ) p ; ( 3.2)

J_s = 1,25p² + 4p + 2 . ( 3.3)

При расчете величины доплеровского уширения по формуле (1.10, a) температуру газовой среды для условий разряда в He-Ne лазерах можно принять 400 К.

3.2. Основные виды потерь

В связи с малыми значениями коэффициента усиления актив-

ной среды для выполнения условия возникновения генерации требует-

ся обеспечить соответственно и малый уровень потерь. Например, при

=10^-3 1/см и длине  = 10 см общий уровень потерь при полном обходе не должен превышать 2 %.

Газовая среда отличается высокой однородностью и прозрачностью, поэтому распределенными потерями на рассеяние и поглощение в ней можно пренебречь. Использование устойчивых резонаторов обеспечивает и малый уровень дифракционных потерь. Они становятся заметными (превышают 0,1%) при использовании разрядных трубок малого диаметра (1…2 мм). Необходимость в целенаправленном увеличении этих потерь возникает также при реализации одномодового режима генерации (TEM₀₀), поскольку подавление поперечных мод более высокого порядка основано на различии в величинах дифракционных потерь (раздел 1.4). В общем же случае основными видами потерь являются потери в зеркалах резонатора и прочих внутрирезонаторных оптических элементах.

Из приведенной оценки допустимого уровня потерь следует, что коэффициент отражения поверхности зеркал должен быть не менее 98 %. Коэффициенты отражения, превышающие 98…99 % , достигаются при использовании многослойных интерференционных зеркал. Потери на поглощение и рассеяние в них не превышают 0,2…0,3%. Кроме того, селективность отражения интерференционных зеркал обеспечивает возможность подавления генерации на конкурирующем переходе 3,39 мкм.

Для создания зеркал со столь высоким коэффициентом отражения количество слоев существенно больше 3. Поэтому в качестве расчетной может использоваться формула (1.30, а). Для слоев с высокими значениями показателя преломления (n_в) в качестве материала покрытия используются TiO₂ {2,33}, ThO₂ {2}, ZnS {2,3}, HfO₂ {1,98}, ZrO₂ {1,97} (в скобках указаны значения показателя преломления n). Для слоев с низкими значениями показателя преломления (n_н) – SiO₂ {1,45}, MgF₂ {1,38}, Na₃AlF₆ {1,35}.

Для изготовления подложек зеркал, а также других внутрирезонаторных элементов, например выходных окон, применяются высокопрозрачные оптические стекла КВ {1,5} либо КУ {1,46}.

В качестве примера, в табл. 3.1 приведены оптические характеристики некоторых зеркал, применяемых в He-Ne лазерах.

В лазерах с внешними зеркалами выходные окна, герметизирующие объем разрядной трубки, для уменьшения вносимых ими потерь устанавливаются под углом Брюстера

_б = arc tg(n),

где n – показатель преломления материала окна. Волна, поляризованная в плоскости падения, проходит через такое окно почти без отражения (уровень потерь не превышает 0,1…0,2 %). Лазерное излучение в этом случае линейно поляризовано.

Таблица 3.1

Оптические характеристики интерференционных зеркал

(материал подложки – кварцевое стекло КВ )

Материал покрытия	Число слоев, N	Коэффициент пропускания, T, %	Общие потери, %	Термостойкость, 0C
HfO2 – SiO2,	15 17 23 25 27	1,6 – 1,9 0,9 – 1,4 0,1 – 0,2 0,1 0,1	- - 0,28 0,2 0,2	300-350
ZrO2 – SiO2	17 19 27	1.35 0,95 <0,1	<0,2 <0,2 <0,2	250-300
TiO2 – SiO2	9 11 13 15 17 19	2,4 0,9 0,4 0,1 0,03 0,01