6.3.1.2. Лазеры на парах меди и золота [12]

На рис. 6.8 представлена общая схема участвующих в гене­рации энергетических уровней лазеров этого типа. Переход ->2 является разрешенным, а переход g^-1 электродипольно запрещен. Таким образом, пользуясь борновским приближением,

мы вправе ожидать, что сечение перехода за счет элек-

тронного удара значительно больше, чем сечение перехода

g->l. Чтобы создать достаточную населенность верхнего ла­зерного уровня, высокая, как правило, скорость излучательного перехода 2-*-g должна быть уменьшена до значения, сравни­мого со скоростью излучательного перехода 2->-1, Это означает, что плотность атомов должна быть достаточно высокой, чтобы стал возможным захват излучения на переходе 2->£. Заметим, что поскольку переход l-*-g является запрещенным, лазер мо­

жет работать только в импульсном режиме с длительностью им­пульса порядка или короче времени жизни уровня 2. Релакса­ция 1 обычно происходит при столкновениях со стенками и вследствие межатомной дезактивации. Соответствующая ско­рость релаксации устанавливает верхний предел частоты повто­рения импульсов лазера.

Сделав эти предварительные замечания, мы покажем на рис. 6.9 участвующие в процессе генерации уровни энергии двух

наиболее важных лазеров

к Энергия. &В

^{указанной категории, т. е.}

Золото

WOh

«А

Красный I (бВднм)

^{XX р«*}

²Л

Лазерная генерация

Золото {5Юпм)

5/2

^{лазеров на парах меди и зо­лота. С точки зрения тронной конфигурации уров­ни Си и Аи весьма схожи, поэтому мы ограничимся тем,что рассмотрим атом ме­ди. Основное состояние 2S}_m^{2 атома Си соответствует кон-}

•а

9

Рис. 6.8. Общая схема энер­гетических уровней лазера на парах металла, рабо­тающего в режиме само­ограничения.

Рис. 6.9. Уровни энергии атомов меди и золота, участвующие в лазерной генерации. Обозначение 1/Кна рисунке соответствует

ультрафиолету.

фигурации 3d^lQ4s. Когда внешний 45-электрон забрасывается на следующий, более высокий 4р-уровень, возникают возбужденные уровни ²Pi/2H ²Рз/2. Эти уровни сильно связаны с основным со­стоянием электродипольно разрешенным переходом. Уровни ²D₃/2 и ²О_ъп соответствуют конфигурации 3d4s², имеющей более низкую энергию» а переходы ²Z)-^²Sj/₂ электродипольно запре­щены. Атомы меди из состояния ²Р быстро (время жизни по­рядка 7 нс) релаксируют посредством спонтанного излучения в основное состояние ²Si/2» в то время как время релаксации уровней ²D намного больше (около 0,5 мкс), поскольку этот пе­реход разрешен слабо. Однако при температурах, которые

используются в медном (Г = 1500°С) и золотом (Г= 1650°С, так как золото является менее тегучим веществом) лазерах, дав­ление паров достаточно высокое (—0,1 мм рт. ст.), так что вследствие захвата излучения релаксации по каналу ²P^²S_l/2 не происходит. Таким образом, единственный эффективный ка­нал релаксации проходит через состояние Ю. Релаксация насе­ленности уровня ²D осуществляется посредством дезактивации на стенках, если внутренний диаметр трубки невелик «2 см).

I i ij- i i - и Л

'газа

Для трубок больших размеров было показано., что важную роль играет сверхуиругое столкновение е 4- Си(²Ь)->-£4- Си(²5ш). В обоих случаях соответствующее врем! релаксации очень боль­шое (несколько десятков микросекунд).

Учитывая из приведенной на рис. 6.8 общей схе-

мы уровней следует, что генерация на парах Си может осущест­вляться как на переходе ²P$n-+²D$tt (зеленый), так и на ²Р_1/2-*--**D_i/2 (желтый). Генерация в парах золота происходит в основ­ном на красном переходе, поскольку УФ-переход оканчивается на состоянии ²D$_/2j который при рабочей температуре в значи­тельной степени заселен. Конструкция лазера на парах метал­лов основана на общей схеме, приведенной на рис, 6.10, причем пары металла заключены в трубку из окиси алюминия, ко­торая теплоизолируется помещением ее в откачанный объем. Необходимая высокая температура в трубке обычно поддержи­_{мощностью, рассеиваемой в трубке при}

вторяющихся импульсов тока. Анод и катод имеют форму коль­цеобразных электродов и помещаются на концах трубки из оки­си алюминия. В газовую смесь добавляется буферный газ (неон иод давлением 25—50 мм рт. ст.) для обеспечения достаточной плотности электронов после прохождения разрядного импульса для того, чтобы обеспечить объемную дезактивацию нижнего лазерного состояния ²D. Добавление неона также способствует уменьшению длины диффузии паров Си и таким образом предо­храняет (холодные) выходные окошки от высаживания меди.

Лазеры на парах меди работают со средней выходной мощ­ностью до 40 Вт в импульсно-периодическом режиме с длитель­ностью импульса порядка 50 и с частотой повторения

импульсов до 20 кГц^1}. На сегодняшний день они являются наи­более эффективными (КПД ~ 1 %) лазерными источниками в зеленой области спектра. Этот относительно большой КПД свя­зан как с высокой квантовой эффективностью медного лазера (~ 55 %; см, рис. 6.9), так и с большим сечением перехода ²Si/2-*~²P при электронном ударе. Крупная установка с пример­но 50 параллельно работающими лазерами на парах меди ис­пользуется на ведущем в США заводе по разделению изотопов ²³⁵U. Лазеры на парах меди также используются для многих научных применений и в некоторых промышленных приложе­ниях (таких, как высокоскоростная фотография и подгонка инте­гральных резисторов). Лазеры на парах золота все больше при­меняются для лечения опухолей.