3.3. Электрическая накачка

Напомним, что электрическая накачка применяется в газо­вых и полупроводниковых лазерах. В данном разделе мы огра­ничимся рассмотрением лишь газовых лазеров, а обсуждение более простого случая, т. е. накачки полупроводникового лазера, отложим до разд. 6.6 (см. гл. 6).

Электрическая накачка газового лазера осуществляется про­пусканием через газовую смесь постоянного, высокочастотного (ВЧ) или импульсного тока. Вообще говоря, ток через газ мо­жет протекать либо вдоль оси лазера (продольный разряд, рис. 3.16, а), либо поперек ее (поперечный разряд, рис. 3.16,6). В лазерах с продольным разрядом электроды нередко имеют кольцеобразную форму, причем, чтобы ослабить деградацию

I V\ArO 1

Яв V

_а

Рис, 3.16. Наиболее часто используемая схема накачки на основе возбужде­ния газовым разрядом.

*• С весьма важным исключением: лазеры на парах меди и золота ра­ботают в импульсном режиме и с продольным возбуждением; см, разд. 6.3 1.2. — /7/ им. перев.

материала катода вследствие столкновений с ионами, площадь поверхности катода делается, как правило, намного больше, чем у анода. В лазерах же с поперечным разрядом электроды вы­тягиваются на всю длину лазерной среды, В зависимости от типа лазера применяются самые различные конструкции элект­родов (некоторые из них мы обсудим в гл. 6). Схемы с про­дольным разрядом используются обычно лишь для непрерыв­ных лазеров ¹\ в то время как поперечный разряд применяется как для накачки постоянным, так и импульсным и высокочас­тотным током. Поскольку поперечные размеры лазера обычно существенно меньше продольных, в одной и той же газовой смеси напряжение, которое необходимо приложить в случае поперечной конфигурации, значительно ниже, чем напряжение для продольной конфигурации. Однако продольный разряд, когда он происходит в диэлектрической (например, стеклянной)

трубке, как на рис. 3.16, а, позволяет получить более однород­ное и стабильное распределение накачки. В дальнейшем мы в основном ограничимся рассмотрением разрядов постоянного

тока.

_{В электрическом разряде образуются ионы и свободные}

электроны, а поскольку они приобретают дополнительную энер- гию от приложенного электрического поля, они могут возбуж- дать при столкновениях нейтральные атомы. Положительные ионы благодаря своей _дг

большой массе ускоряют­ся значительно хуже, чем

^{электроны, и поэтому не}

играют сколько-нибудь

передача

существенной роли в про­цессе возбуждения. По- ^л этому электрическая на- Рис. ЗЛ7. качка газа происходит с

помощью одного из сле­дующих двух процессов (или обоих этих процессов): 1) в газе, состоящем только из одного сорта частиц, возбуждение осуще­ствляется лишь электронным ударом, т. е. в соответствии с про­цессом

_в + _Х-*Х* + е, (3.27)

где X — атом в основном состоянии, X* — атом в возбужден­ном состоянии. Такой процесс называется столкновением пер­вого рода; 2) в газе, состоящем из двух компонентов (скажем, А и В), возбуждение может осуществляться также и при столкновениях частиц разного сорта благодаря процессу, на­зываемому резонансной передачей энергии (см. разд. 2.5 и

рис. 2.12). Обращаясь к рис. ЗЛ7, предположим, что частица В находится в основном состоянии, а частица А ' — в возбужден­ном благодаря электронному удару. Будем также считать, что разность энергий &Е между этими двумя переходами меньше, чем kT. Тогда существует заметная вероятность того, что после столкновения частицы А окажутся в основном состоянии, а частицы В — в возбужденном. Этот процесс можно записать в виде

А* + В —> А + В* — Д£, (3.28)

где разность энергий Д£ в зависимости от своего знака будет либо добавляться, либо отниматься от энергии поступательного движения. Процесс (3.28) особенно привлекателен для на­качки частиц В в том случае» когда верхнее состояние частиц А является метастабильным (переход запрещен). В этом случае, как только частица А будет возбуждена на свой верхний уро­вень, она будет оставаться там в течение длительного времени и создавать тем самым резервуар энергии для возбуждения частиц В. Процесс этого типа, представленный выражением (3.28), называется столкновением второго рода ^]).