Процессы в газовом разряде, влияющие на мощность лазерного излучения

В газоразрядных лазерах на распределение атомов по уровням энергии влияют различные процессы. Основной процесс, приводящий к созданию инверсии населенностей в Hе-Nе лазере, – квазирезонансный обмен энергиями между атомами гелия и неона. При этом обмене возбуждение атомов неона происходит за счет ударов второго рода с возбужденными атомами гелия:

, (1)

. (2)

Символ « * » отмечает возбужденные атомы. Процессы, описываемые в формулах (1) и (2), имеют большую вероятность, так как близки энергии возбужденных уровней He и Ne (рис. 1). Чтобы создать инверсию на лазерных уровнях неона и , нужно возбудить атомы гелия на соответствующие уровни и . Это имеет место при прямом возбуждении электронным ударом:

(3)

Символ « ^ » указывает на большую кинетическую энергию электрона, которая должна быть не меньше энергии возбужденного уровня гелия. Для уровня эта энергия равна 20,61 эВ. До нужной энергии электроны разгоняются электрическим полем в газоразрядной трубке.

Инверсию населенностей лазерных уровней неона и уменьшают ступенчатые процессы, при которых возбуждается или ионизируется атом, находящийся уже на возбужденном уровне. Это может быть опустошение уровня гелия или электронным ударом:

, (4)

(5)

или дополнительное возбуждение атомов неона, например, с уровня :

, (6)

где – атом гелия, находящийся в более высоком энергетическом состоянии, чем ; – ион гелия.

Процессы, описываемые в формулах (4) и (5), уменьшают населенность верхнего лазерного уровня из-за опустошения уровня гелия и и снижения эффективности заселения возбужденных уровней неона и . Процесс, выраженный формулой (6), увеличивает населенность нижнего лазерного уровня. Любой из этих ступенчатых процессов уменьшает плотность инверсии населенностей тем больше, чем больше произведение , где  – концентрация атомов на соответствующем уровне;  – концентрация электронов. Поскольку концентрация атомов на возбужденном уровне также пропорциональна , то вероятность ступенчатых процессов пропорциональна .

Таким образом, с увеличением тока разряда (концентрации электронов ) растет концентрация атомов на уровнях и [процесс, выраженный формулой (3)] и возрастает концентрация атомов на верхних лазерных уровнях [процессы, описываемые в формулах (1) и (2)]. Вероятность обоих процессов ~ , поэтому будет расти и мощность генерации лазера. Рост мощности происходит до тех пор, пока не станут существенными ступенчатые процессы (4) – (6), вероятность которых пропорциональна и которые приводят к снижению инверсной населенности. Тогда с ростом тока начнется спад мощности генерации. В результате при определенном значении плотность инверсии населенностей максимальна. Этому значению концентрации электронов соответствует оптимальное значение электрического тока.

Оптический резонатор и модовая структура излучения

Для получения лазерной генерации активная среда помещается в резонатор, который осуществляет положительную обратную связь: многократный проход излучения через активную среду приводит к его усилению за счет индуцированных излучательных переходов. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой пару зеркал на общей оптической оси (например, интерферометр Фабри – Перо). Расстояние между зеркалами значительно больше длины волны ( ). Такие резонаторы называются открытыми резонаторами, так как у них нет боковой поверхности. Основные типы резонаторов представлены на рис. 3.

Для симметричного конфокального резонатора 1 расстояние между зеркалами равно радиусу зеркал резонатора (L=r₁=r₂), радиус зеркал сферического резонатора 2 равен половине расстояния между ними (r₁=r₂=L/2). Для полусферического резонатора 3 расстояние между зеркалами равно половине радиуса сферического зеркала (L=r₁/2₂). Конфокальный, сферический и плоскопараллельный (r₁=r₂→) 4 резонаторы находятся на границе устойчивости. Это означает, что введение при теоретическом рассмотрении, например, дифракционных потерь приводит к выходу излучения за пределы резонатора. Поэтому наибольшее распространение получили резонаторы, у которых одно зеркало плоское, а второе сферическое с радиусом кривизны, существенно большим базы резонатора. В этом случае удается компенсировать дифракционные потери в резонаторе и получить на выходе лазера световой пучок с минимальной расходимостью.

После многократного отражения от зеркал в резонаторе устанавливаются стоячие волны, для которых имеются постоянные фазовые и амплитудные соотношения, связывающие волны, распространяющиеся в противоположных направлениях. Устойчивые пространственные конфигурации электромагнитного поля в резонаторе, которые воспроизводят себя при многократном проходе резонатора, называются модами или типами колебаний. Каждая мода характеризуется соответствующей конфигурацией поля на поверхности зеркал и числом полуволн, помещающихся на длине резонатора. Моды обозначают (аббревиатура от transverse electric and magnetic), где и – целые числа, так называемые поперечные или угловые индексы, определяющие число минимумов поля в плоскости зеркал; – продольный (аксиальный) индекс, задающий число максимумов поля вдоль оси резонатора. Моды резонатора отличаются распределением амплитуды, фазы и частоты, а также величиной дифракционных потерь.

Кроме характеристик резонатора частотный спектр лазерной генерации связан с расположением энергетических уровней (подуровней) активной среды. Генерация в лазерах происходит на тех модах резонатора, для которых коэффициент усиления превышает коэффициент потерь. Спектральная зависимость коэффициента усиления определяется различными причинами уширения спектральной линии. Различают три вида уширений: естественное, столкновительное и доплеровское. Естественное уширение связано с конечным временем жизни возбужденных состояний, столкновительное – с уменьшением времени жизни возбужденного состояния и скачком фазы излучения в момент столкновения излучающих частиц, доплеровское – с движением атомов в разных направлениях с разными скоростями. Поэтому на основании эффекта Доплера вместо одной частоты атомы излучают совокупность частот в некотором интервале. При максвелловском распределении атомов по скоростям полуширина доплеровского контура

, (7)

где  = 8,31 Дж/(К моль) – универсальная газовая постоянная; – температура атомов;  – молярная масса. Для атомов неона (  = 20 г/моль) при  = 400 К, для  = 632,8 нм имеем = 1,5 ГГц. Для этой же спектральной линии естественная ширина = 1,9 МГц, а столкновительная ширина составляет = 0,6 МГц (при давлении  = 0,5 мм рт. ст.). Все механизмы уширения спектральной линии действуют одновременно, но так как >> > , то для гелий-неонового лазера контур коэффициента усиления практически доплеровский. Это означает, что генерация возможна одновременно на различных частотах, отвечающих модам резонатора, в спектральном диапазоне, где коэффициент усиления превышает коэффициент потерь.