172 Газовый лазер

_If

_v

hi

Первичные электроны, возбуждающие электрич. разряд в газе, вылетают из катода и под действием сильного электрич. поля, при­ложенного между катодом и анодом, бегут по капилляру к аноду.

6?

Лазер (вынужденное излучение) X^s *~

о

3: "X.

О

е

о

&

О) =3

з: ф 'О

эе

<ю <г>

о QQ а; О Q.

ч ос

з;

CD

[\/\ЛЛЛЛЛЛГ

Спонтанное излучение

Основное состояние Рис. 6. Схема уровней ионных лазеров.

При этом оказывается, что газ в капилляре также начинает дви­гаться — он перекачивается от одного конца капилляра к другому. Чтобы компенсировать перекачку газа, анодную и катодную' поло­сти разрядной трубки соединяют между собой длинной трубкой /,

Онно Зернало

к-рая обеспечивает обратную циркуляцию газа. Длина этой трубки должна быть достаточно большой, чтобы не шунтировать разряд в капилляре.

Главная трудность создания ионных лазеров — разрушение капилляра. Из-за бомбардировки его стенок электронами и ионами

ft

в мощном разряде стенки капилляра покрываются

и капилляр разрушается. В первых ионных лазерах капилляры были изготовлены из кварца; с целью удлинения срока

службы капилляра разрабатываются секционные металлич. кон­струкции. Такой капилляр состоит из множества коротких метал­лических (из тугоплавких металлов) трубочек, разделенных тон­кими керамич. кольцами (чтобы разряд не шунтировался стенками капилляра).

Разряд в капилляре можно возбуждать не только постоянным напряжением, но и переменным высокочастотным полем (в ы с о к о -частотная накачка, рис. 8). Оказалось, что в последнем случае срок жизни капил-

Н высокочастотному

л яра настолько возрастает, „_uL_mn./

что можно пользоваться —™

_ЗЛ5

л

Напилляр

о бычными кварцевыми ка­пиллярами. Этот метод по­зволяет устранить металлич. электроды внутри разряд­ной трубки и использовать

_{Г 'hi}

в качестве раочего газа химически активные газы, напр. С1.

Зернало

J Вход Выход ¹

Охлаждающая жидкость

Ионные лазеры являют­ся самыми мощными источ­никами когерентного света

Рис. 8.

Ионный лазер с высокочастотной

в видимом и ультрафиоле­товом диапазонах (дес. вт в непрерывном режиме).

Такой лазер может прожигать в металле отверстия, его излуче­ние можно использовать для генерации

вых оптических гармоник (см. Нелинейная оптика I, 5). Соз­дано также большое число импульсных ионных лазеров. В них инверсию населенностей получают на короткое время в ре­зультате мощного разряда. В процессе разряда газ сильно ионизуется и между нек-рыми возбужденными уровнями ионов возникает инверсия населенностей. Предельные импульсные мощ­ности, полученные в импульсных ионных лазерах, достигают сотен

квт. Ионные лазеры позволили значительно продвинуться в ультра­фиолетовую область спектра и получить генерацию в видимом диапазоне на большом числе различных линий (см. табл.).

Лазер на углекислом газе С0₂ (молекулярный лазер). Молекулы,

в отличие от атомов, имеют, помимо электронных, также коле­бательные и вращательные энергетиче­ские уровни (см. Уровни энергии). Первый молекулярный лазер был создан Р. Пателем в США в 1964 г. Этот лазер работал на вынужденных переходах между колебательными уровнями моле­кулы С0₂, упрощенная схема к-рых изображена на рис. 9. Молекула С0₂ имеет три частоты собственных колебаний, к-рым соответствуют уровни ё°₃, ё^и₄и ё\. В действительности за уровнем в, расположено

еще три колебательных уровня, но в газовом разряде возбуждаются

ГЛ. Обр. урОВНИ #3, (б 4, <б_ъ.

Заселение колебательных уровней «f „, ё\ и в газовом разряде,

благодаря к-рому в системе достигается инверсия населенностей между отдельными парами возбужденных уровней, происходит под

1

тонового лазера составляет !0~з__К) 2 при МОЩНОСТИ 2—

5 вт. Позднее появились со- общения о достижении Г, л. „_ллллл ... на CO., в непрерывном ре 1_ ² жиме мощности до 4 кет.

Повышение мощности на много порядков было достиг­нуто добавлением к С0₂ мо­лекулярного азота (N₂) и гелия (Не). В результате га­зовая смесь содержала С0₂ (при давлении 1 мм рт. ст.), N₂ (1 м рт. ст.) и Не (5 мм рт. ст.). В разряде происходит частичная иони-

влиянием неск. процессов. Первый из них — возбуждение моле­кул С0₂ при их соударениях с быстрыми электронами в газовом разряде. Уже это позволило Пателу создать первый лазер на С0₂ мощностью в 1 мет. В то время это была достаточно большая мощ­ность для Г. л., работающего в непрерывном режиме. Спустя год Пател сообщил о достижении мощности - 10 вт. Это было сенса­ционное сообщение, т. к., кроме большой мощности, новый Г л, обладал и очень высоким кпд ^ 10%; кпд др. Г. л. был несравненно ниже, напр. кпд гелий-неонового лазера ^ 10~⁵—10 ⁴ при мощ­ности 10—20 мет, а кпд ар

Передача возбуждения при столкновениях молекул

я,-

_I

а Ъ

1 1

03

5> 5 Ч

Ъ О сс

* £ §

^ О з:

lO ^ О)

<П ^ <D

о Q- о

Cq С: а:

с^2

3 о

Основное

зация молекул С0₂ и N₂. Ускоренные электрич. нолем свободные электроны возбуж­дают нижние колебательные уровни молекул N₂ и С0₂,

_I

состояние Углекислый газ С0₂

колебательных уровней

_{Основное}

Схема молекул

состояние Азот N2

со

2 и

причем

главн.

Рис. 9.

обр. возбуж-

даются уровни <§_ь в молеку­ле СОо и #₂ - в молекуле N₂ (рис. 9). При этом молекулы No возбуждаются настолько сильно, что почти 30% от полного их числа переходит на уровень ё\. Самые нижние возбужденные уровни

молекулы населяются значительно слабее, т. к. они коротко-живущие и поэтому быстро самопроизвольно распадаются.

Т. к. уровень 0 ₅ молекулы С0₂ совпадает с уровнем ^Р₂ молекулы N«, то в результате неупругих столкновений происходит резонанс­ная передача возбуждения от молекулы N₂ к молекуле С0₂. Этот процесс приводит к сильному возрастанию населенности возбу­жденных молекул С0₂ на уровне Sy

Третий механизм дополнительного заселения уровня ef_b моле кулы С0₂ состоит в каскадных переходах на уровень (§_ъ молеку­лы С0₂, возбужденной на самые высокие колебательные уровни за счет столкновений с электронами или, возможно, с атомами гелия. Гелий выполняет в рабочей смеси еще одну роль. Чтобы уменьшить тепловое заселение всех уровней, уменьшающее инвер­сную населенность, необходимо понизить температуру газовой смеси. Очень высокая теплопроводность Не выравнивает темп-ру газа и стенок, охлаждаемых водой, и т. о. понижает темп-ру ра­бочей смеси. Вместо Не можно применять с той же целью пары воды.

Щ¹

Для повышения мощности рабочую газовую смесь непрерывно заменяют новой, т. е. вводят циркуляцию газовой смеси. С этой же целью вместо высокочастотного разряда газовый разряд возбуждали Щ. постоянным током либо током промышленной частоты (50 гц). щ В действительности каждый из колебательных уровней С0₂ Щ- ^f₄, <^?₅, 0₆ представляет собой полосу, состоящую из большого f§; числа (ок. 30) уровней. Поэтому генерация в Г. л. на С0₂ может возникнуть на большом числе различных переходов. В Г. л. на С0₂ уже получена генерация на 100 различных переходах молекулы С0₂ в интервале длин волн от 9 до 18 мкм.

Дальнейшее повышение мощности Г. л. на С0₂ было осущест- влено за счет периодич. выключения обратной связи, аналогично if тому, как это было реализовано раньше для рубинового лазера. §|;: Т. к. время жизни молекул С0₂ в возбужденном состоянии доста- точно велико (10 ^а сек), то оказалось сначала воз- Ц будить газовую смесь, не включая обратную связь (т. е. убрав, ® напр., одно из зеркал), а затем, накопив достаточно большое число возбужденных частиц, быстро вернуть зеркало на место; все воз- бужденные молекулы разом переходят в основное состояние, излу- Щ•■■ чив в короткое время очень мощный импульс света. Мощность та- S; кого импульса может достигать 100 кет. В качестве выключателя '$г обратной связи (затвора) используют вращающуюся на пути луча между неподвижными зеркалами призму из NaCl (см. Лазер). Так как мощность Г. л. непрерывного действия на смеси ■1 С0₂ + N₂ + Не очень высока, оказывается трудным изготовить для него долговечные зеркала. Зеркала изготавливают из спец. О; тугоплавких материалов, а вывод излучения осуществляют не сквозь полупрозрачное зеркало, как это делается для др. лазеров, а через небольшое отверстие в зеркале — окно.

Мощные лазеры на С0₂ (рис. 10) можно с успехом применять для резки и сварки металлов, для световой локации, а также в ка­честве мощного перестраиваемого по частоте (из-за возможности ге­нерации на большом числе переходов между тесно расположен­ными уровнями) источника света.

Существуют и другие молекулярные лазеры: напр., лазер на па­рах BUO генерирует на длинах волн X = 27,9 мкм и 118,6 мкм, т. е. в инфракрасном диапазоне. Он работает в импульсном режиме и его мощность составляет 10 вт для К = 27,9 и 1 мет для X = 118,6 мкм. В далеком инфракрасном диапазоне К - 337 мкм работает лазер на молекулах ИСК.

Химические лазеры. Кроме электрического разряда, инвер­сия населенностей уровней атомов и молекул в Г. л. может соз­даваться в результате хим. реакций, при к-рых образуются атомы или радикалы в возбужденных состояниях. Т. к. обычные реакции протекают довольно медленно, то они непригодны для создания инверсии населенностей. Прежде чем накопится достаточно много возбужденных атомов, они успеют перейти в основное состояние, и лазер не будет работать. По этой причине химич. лазеры могут работать только на быстротекущих реакциях, таких как ф о т о -Диссоциация молекул (распад молекулы на неск. частей под действием света), взрыв или хим. реакции между атомами или молекулами во встречных пучках атомов или молекул различных веществ. Хим. метод создания инверсий населенностей принци­пиально допускает создание лазеров с очень высокими кпд и выход-

ill

₁

.ilii I

ной мощностью. Особенно большую мощность ожидают от лазеров, рабо­тающих на взрывах. Наиболее изуче­ны хим. лазеры на фотодиссоциации молекул. При фотодиссоциации моле­кулы распадаются очень быстро. За время, равное длительности вспышки света, все молекулы «разваливаются» на части. При этом радикалы оказы­ваются в возбужденном состоянии (та­ково свойство этих реакций).

Рассмотрим в качестве примера первый хим. лазер на фотодиссоциа­ции молекулы CF₃J. Рабочий газ CF₃J под давлением ~ 50 мм рт. ст. на­полняет кварцевую трубку длиной ок. 1 м и диаметром 10 мм. Трубка с газом помещается между зеркалами и освещается параллельно располо­женной ксеноновой лампой - вспыш­кой примерно такой же длины (обе трубки экранируются блестящей алю­миниевой фольгой). Свет вспышки поглощается в рабочем газе, в резуль­тате чего молекула CF₃J распадается: CF₃J + hv - CF₃ + J. Один из «оскол­ков» — атомарный иод J — находится

в возбужденном состоянии. Благодаря этому достигается инверсия населен- постен уровней атомов иода, а это приводит к возбуждению генерации света между зеркалами. на

фото диссоциации молекул GF₃J созда­ет высокие мощности света (до 50 кет) при энергии в импульсе до 65 дж.

Газовые лазеры с оптической на­качкой не так популярны, как газо­разрядные или химические. Это свя­зано прежде всего с тем, что на этих лазерах не было получено новых ре­зультатов. В первом Г. л. с оптич. накачкой (США, 1962 г.) рабочим ве­ществом были пары цезия (Cs). Cs был выбран потому, что один из его воз­бужденных уровней ё\ точно совпа­дает с долгоживущим уровнем $₉ ге­лия, не легко возбуждающегося в га­зовом разряде (рис. 11). В цезиевом Г. л. свет от гелиевой газоразрядной лампы (Я = 3888А) переводит атом Cs с основного уровня ё\ на уровень #₄. При мощности питания лампы ~~ 800 вт населенность уровня # ₄ оказывается

столь значительной, что генерация

М

фотонов за счет вынужденного перехода с этого уровня превы­шает поглощение и пары Cs начинают усиливать свет, соответ­ствующий переходу с уровня 6\ на уровень $°₃ (X = 7,18 мкм).

Излучение гелиевой лампы

■р #1

_■it"

ад

_■Ж

ш

Ш.

о₃.

s₂

трубки с парами свет уси­ливался в 1,5 раза, что вполне достаточно для ком­пенсации потерь света при отражении от зеркал и по­глощении и рассеянии ато­мами Cs. Мощность генера­ции этого первого лазера с оптич. накачкой составля­ла 50 мет, хотя теорети­чески достижима мощность до 1 вт.

Оптич. накачка газов —

мало эффективный способ получения инверсии насе-

5,

'Не

Не

Cs

И. Уровни энергии цезия и гелия.

ленностей в газе. Газы об- в_} ладают очень узкими ли­ниями поглощения. Это оз­начает, что при возбужде- Рис. нии газа с помощью оптич.

накачки от источника света с широким спектром (все источники света, за исключением лазеров, излучают свет в широком интер­вале длин волн) используется только ничтожная часть свето­вой мощности источника. Остальной свет бесполезен, более того

он вредит, нагревая рабочий газ. Применение в качестве источников

Выходящий световой пучок A X ~ 7,18 мкм

<j£i» Труби а с парами Cs

_{Гелиевая лампа^ Я I}

_{и о \Н}

Отражатель

Отражатель

Рис. 12. Схема цезиевого лазера.

накачки импульсных газоразрядных ламп, обладающих линейчатым спектром (как это сделано в цезиевом лазере), требует точного совпадения линии излучения лампы и линии поглощения рабочего газа.

Г. л. настолько интенсивно газвиваются, что они уже без труда могут заменять твердотельные лазеры во всех областях примене­ния, кроме получения предельно больших импульсных мощностей порядка 10⁷~10¹² вт. Однако бурный прогресс в области Г. _л'

..Hi

ij позволяет надеяться, что в ближайшем будущем они догонят твер-

₁₁

дотельные лазеры и по этому показателю. Возможно недалеко то время, когда Г. л. будут генерировать свет не только в инфракрас­ном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах, но и на более корот­ких волнах, ближе к рентгеновскому диапазону.

Лит.: 1) Б е н н е т В., Газовые лазеры, пер. с англ., М., 1964, с. 9-119; f I! 2) Б л у м А., Газовые лазеры, «Тр. Ин-та инженеров по электронике и радио-

¹¹¹ электронике», 1966, т. 54, Nq 10 (Ргос ТЕБЕ); 3) X и в е н с О.С, Оптические

квантовые генераторы, «УФН», 1963, т. 81, вып. 3; 4) II а т е А К., Мощ­ные лазеры на двуокиси углерода, «УФН», 1969, т. 97, вып. 4.

ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР - лазер, рабочим^ йщытвон к-рого является инертный газ неон Ne. Примесь гелия увеличивает инверсию населенностей уровней атомов неона. См. Газовый лазер, ГЕНЕРАЦИЯ (в квантовой э л е к т р о н и к е) - из­лучение когерентных электромагнитных волн в результате выну­жденного излучения системы (атомов, молекул, кристалла) при наличии в ней обратной связи. См. Квантовая электроника.

ГЕТЕРОДИНИРОВАНИЕ - преобразование модулированных электрич. колебаний высокой частоты со в колебания промежу­точной частоты (о_пр, лежащей между со и частотой модуляции Q (см, Модуляция). В радиоприемниках вспомогательный генератор (г е -т е р о д и н) создает колебания частоты Q, к-рые смешиваются с колебаниями высокой частоты, поступающими в приемник, на к.-л. нелинейном элементе (электронной лампе, полу­проводниковом диоде и т. п.). В результате этого возникает колеба­ние разностной промежуточной частоты <о_пр = со - Q. Величина о)по для данного приемника постоянна, поэтому гетеродин должен перестраиваться по частоте.

Эффект Г. имеет место и в оптическом диапазоне (см. Нели- нейная оптика), гетеродином может служить перестраиваемый лазер. ю. г. Хронопуло.

_Г

iiii¹""''

ill

III

ГИГАНТСКИЕ ИМПУЛЬСЫ — световые импульсы длительно­стью менее 100 нсек, получаемые от твердотельных лазеров в ре­зультате модуляции добротности резонатора. Модуляция может осуществляться вращающимся зеркалом или призмой, при помощи просветляющихся (фотохромных) фильтров и др. способами. Мощ­ность Г. и. достигает 10^й—10¹² вт. Энергия Г. и. обычно меньше, чем энергия импульса при свободной генерации того же лазера (см. Лазер).

'111!

ГИРОМАГНИТНОЕ ОТНОШЕНИЕ — отношение магнитного момента заряженной частицы (напр., электрона или протона) к его механическому моменту.

ГИРОСКОП "~ ЛАЗЕРНЫЙ — см. Лазерный гироскоп. ГОЛОГРАММА — зарегистрированная фотопластинкой интер­ференционная картина, образованная когерентным излучением

источника (опорный пучок) и излучением, рассеянным предметом,

освещенным тем же источником. Г. содержит информацию об объем­ном изображении предмета. (См. Голография).

ГОЛОГРАФИЯ — принципиально новый метод получения объем- ных изображений предметов, основанный на явлении интерференции света. Бурное развитие Г. связано с появлением квантовых генера- §1 торов света — лазеров. Необычные свойства и огромные возмож-

ности Г. вызывают всеобщий интерес. Г. нашла практич. примене­ние в экспериментальной физике и технике.

1. Фотография и голография

Для того чтобы фотографически запечатлеть к.-л. объект, необ­ходимо получить его четкое изображение в плоскости фотоэмуль­сии. Это обычно осуществляется с помощью собирающей линзы Л. зр;:. Если предмет находится достаточно далеко (в «бесконечности»), W дальше, чем на 25 м, то фотопластинку помещают в фокусе объек-Щ. тива Л. (рис. 1, а). При др. расположениях объектива и фотопла-II стинки изображение получится размытым. Если проэкспониро-вать и проявить фотопластинку, то на ней в точке О' мы увидим ^;Ш. негативное изображение точки О.

|; Если фотографируется близко расположенный плоский предмет, Ш напр. чертеж или рисунок, то фотоаппарат располагают так, 1- чтобы плоскости чертежа и фотоэмульсии были параллельны §\ (рис. 1, б). Тогда в плоскости фотопластинки образуется четкое

Рис. 1. а - схема работы фотоаппарата; СП — стеклянная пластинка или

ⁿ_{o^306p^„„t=S точ^ки-оТ^чен^е „"зо&ия «}