2.4. Газовые лазеры
В газовых лазерах в качестве активного вещества используется разреженный газ. Разработаны три типа газовых лазеров с накачкой электрическим разрядом:
атомарные ( на нейтральных атомах ),
ионные,
молекулярные.
Эти лазеры отличаются друг от друга, в основном, длиной генерируемой волны .
Типичная схема газового лазера приведена на рис.2.7.
рис.2.7
Кварцевая газоразрядная трубка 1 заполнена газом или смесью газов, являющихся активной средой. Давление газа обычно составляет от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба. Трубка заканчивается двумя окнами, наклоненными к ее оси под углом Брюстера Б, что позволяет излучению проходить через окна практически без отражения. В связи с этим значительно снижается число генерируемых частот (мод), т.к. каждое из окон пропускает лишь колебания, поляризованные в плоскости падения.
Зеркала 3 имеют, как правило, вогнутую форму, благодаря чему они оказываются менее чувствительными к разъюстировке. Электроды 2 впаиваются в трубку.
Активное газообразное вещество по сравнению с твердотельным имеет следующие преимущества:
Энергетический спектр вещества близок к энергетическому спектру изолированного атома, что обеспечивает узкие энергетические уровни Е, узкий спектр излучаемых частот и, следовательно, высокую степень монохроматичности излучения
.Высокая оптическая однородность газовой среды обеспечивает малое рассеивание (расходимость) оптического излучения на неоднородностях, что открывает возможности для увеличения расстояния L между зеркалами и приводит, как следствие, к высокой направленности излучения.
Однако газовые лазеры имеют определенные недостатки:
Малая мощность излучения, составляющая единицы мВт,
Относительно большие размеры, что не позволяет их использовать в интегральных оптических устройствах.
Газовые лазеры применяются, в основном, в системах передачи, обработки и записи информации, где необходима высокая пространственно-временная когерентность и высокая направленность излучения.
Гелий-неоновый (He-Ne ) (атомарный) лазер.
Этот тип лазера получил максимальное распространение среди газовых лазеров. В нем в качестве рабочего (активного) вещества используется неон (Ne). Гелий (Не) вводится как вспомогательный газ для создания инверсной населенности в системе уровней неона, причем атомов гелия на порядок больше, чем атомов неона.
Принцип работы Не-Nе лазера состоит в следующем.
рис.2.8
При электрическом тлеющем разряде, появляющемся после включения источника питания, возникающие свободные электроны возбуждают при столкновении, в основном, атомы гелия (т.к. их больше и они легче), переводя их на метастабильные уровни Е2Не и Е3Не. Одновременно часть атомов неона переходит на долгоживущие уровни Е4Ne и Е6Ne, благодаря чему создается незначительная инверсия населенности между уровнями Е4Ne, Е6Ne, Е3Ne. Основную роль в формировании вынужденного излучения играют процессы столкновения возбужденных атомов Не с невозбужденными атомами Ne (резонансная передача возбуждения). В связи с тем, что энергетические Е2Не и Е3Не близки с уровнями Е4Ne, Е6Ne (см. энергетическую диаграмму на рис.2.8), то при столкновениях атомы Ne переходят в возбужденные состояния на уровни Е4Ne и Е6Ne, а атомы Не после столкновения переходят на невозбужденный уровень Е1Не (безизлучательный переход). Основные излучательные переходы в Не-Ne лазере:
-Е6Ne E3Ne – излучение красного света с = 0,6328 мкм,
-Е4Ne E3Ne –ИК- излучение на длине волны = 1,1523 мкм,
-Е6Ne E5Ne –ИК – излучение на длине волны = 3,390 мкм.
Возможны и другие неосновные переходы с раcщепленных энергетических уровней Е3Ne, Е4Ne, Е5Ne, Е6Ne. Такие переходы являются причиной уширения спектральных линий излучения основных переходов.
Основные параметры Не-Ne лазеров:
КПД до 1%,
Мощность излучения в непрерывном режиме 0,1……10 мВт,
Степень монохроматичности 10 –6……10 –10,
Расходимость излучения
0,01 градуса,Габариты 0,1….2 м.
Благодаря высокой монохроматичности и направленности излучения Не-Ne лазеры находят широкое применение в системах:
передачи и обработки информации,
записи и считывания информации с оптических транспарантов и голограмм.