6.3,2. Ионные лазеры

По сравнению с нейтральными атомами шкала

^{ских уровней ионизованного атома является более широкой.}

Действительно, в этом случае каждый электрон атома испыты­вает влияние поля положительного заряда ядра Ze (Z— атом­ный номер элемента, а е — заряд электрона), экранированного отрицательным зарядом (Z—2)е оставшихся электронов. Та­ким образом, результирующий эффективный заряд равен 2е, в то время как в случае нейтрального атома он равен только е. Это расширение энергетической шкалы приводит к тому, что

ионные лазеры обычно работают в видимой и ультрафиолетовой

_{областях спектра., Как и лазеры на нейтральных атомах, иои-}

ные лазеры можно разделить на две категории: 1) ионные га­зовые лазеры, использующие большинство инертных газов,

*> В настоящее время уже имеются промышленные лазеры на парах меди со значительно лучшими параметрами. — Прим. персе.

среди которых наиболее замечательным примером является Аг+-лазер; 2) лазеры на парах металлов, в которых применяются различные металлы (Sn, Pb, Zn, Cd и Se); среди этих лазеров выделяется Не—Cd-лазер.

6,3.2.1. Аргоновый лазер [13, 14]

Ъ <

35

Метастабитные уровни

30\-

25

20

15

10

Аг

Упрощенная схема участвующих в генерации уровней энер­гии в аргоновом лазере приведена на рис. 6.11, Основное со­стояние иона Аг+ получает­ся путем удаления одного из шести Зр-электронов внеш­ней оболочки аргона. Воз­бужденные состояния 4s и 4р возникают, когда один из оставшихся Зр⁵-электронов забрасывается на уровни со­ответственно 4s и 4р. С уче­том взаимодействия с осталь­ными Зр-электронами оба уровня 4s и 4р, обозначен­ные на рис. 6.11 как простые уровни, на самом деле со­стоят из нескольких уровней (соответственно 9 и 2). Воз­буждение верхнего лазерно­го 4р-уровня происходит по­средством двухступенчатого процесса, включающего в себя столкновения с двумя различными электронами. При первом столкновении аргон ионизируется, т. е, пе­реходит в основное состоя­ние иона Аг+ Находящийся в основном состоянии ион Аг+ испытывает второе столкновение с электроном, что может привести к сле­дующим трем различным процессам: 1) непосред­ственное возбуждение иона Аг+ на 4р-уровень (процесс а на рис, 6 1П- 2) возбуждение в более высоко лежащие состояния с последующими каскадными излучательными переходами на уровень 4р (процесс Ъ на рис. 6.11); 3) возбуждение на метаста­бильные уровни с последующим третьим столкновением с элек­троном, приводящим к возбуждению на 4р-уровень (процесс с на рис. 6.11). Поскольку процессы 1 и 2 включают в себя два этапа, связанных со столкновениями с электронами, следует ожи­дать, что скорость накачки в верхнее состояние будет пропор­циональна квадрату плотности тока разряда. Действительно, скорость накачки верхнего состояния (dNz/dt)^должна иметь вид

(dN₂/dt)~ ЭД ~ N% (6.4)

где N_e и Nt — плотности электронов и ионов в плазме (N_e**Ni в плазме положительного столба). Так как электрическое поле в разряде не зависит от разрядного тока, плотность электро­нов М_е пропорциональна плотности разрядного тока [см. (3.39)] и из выражения (6.4) следует, что {dN^/dt)^ Я. Мож­но показать, что при высоких плотностях тока рассмотренный выше процесс 3 также приводит к тому, что скорость накачки пропорциональна Я. Таким образом, накачка резко возрастает с увеличением плотности тока и для того, чтобы рассмотренный выше малоэффективный двухступенчатый процесс позволил за­качать достаточно ионов в верхнее состояние, необходимы вы­сокие плотности тока ( ~ 1 кА/см²). Этим можно объяснить, по­чему первый запуск Аг+-лазера произошел спустя около 3-х лет после запуска Не—Ne-лазера (Бриджес, 1964 [15]). Ион Аг+ будучи заброшен на верхний лазерный уровень 4р, может ре-лаксировать на уровень 4s посредством быстрой (~ 10~"⁸ с) из-лучательной релаксации. Однако следует заметить, что релакса­ция из нижнего лазерного 4s-ypOBHH в основное состояние Аг⁺ происходит за время, которое примерно в 10 раз короче. Таким образом, условие непрерывной генерации выполняется.

Из сказанного выше следует, что .генерацию в аргоновом ла­зере следует ожидать на переходе 4p-*4s. Так как оба уровня 4s и 4р на самом деле состоят из многих подуровней, аргоно­вый лазер может генерировать на многих линиях, среди кото­рых наиболее интенсивными являются зеленая (%— 514,5 нм) и синяя (К=4&& нм). Из измерений спектра спонтанного излуче­ния было найдено, что доплеровская ширина линии Av^, на­пример зеленого перехода, составляет около 3500 МГц. Это означает, что температура ионов, определяемая в соответствии с выражением (2.78), равна Т ж 3000 К. Иными словами, ионы являются очень горячими благодаря их ускорению в электриче­ском поле разряда. Относительно широкая доплеровская ши­рина линии также приводит к тому, что в режиме синхрониза­ции мод в аргоновом лазере наблюдаются сравнительно корот­кие импульсы (~ 150 пс; см. табл. 5.1).

На рис. 6.12 приведена схема устройства современного мощ­ного (5г1 Вт) аргонового лазера. Заметим, что как плазменный ток, так и лазерный пучок ограничиваются металлическими (вольфрамовыми) дисками, помещенными в керамическую (ВеО) трубку большего диаметра. Использование такой тепло­проводной и изолирующей металлокерамической комбинации необходимо для того» чтобы обеспечить хорошую теплопровод­ность трубки ив то же время ослабить проблемы, связанные с эрозией вследствие высокой температуры ионов. Диаметр цен­тральных отверстий в дисках делается небольшим (~ 2 мм),

_\

жидкость ВотФрсматё

Лазерный ямах и лгок разряда

Отгт&срстия для

Sue к и

чтобы сосредоточить генерацию в (для резонатора

обычно применяются вогнутые зеркала с большим радиусом кривизны) и чтобы уменьшить необходимое значение полного тока. В аргоновых лазерах приходится решать проблему ката­фореза атомов аргона. В самом деле, вследствие высокой плот­ности тока наблюдается значительная миграция ионов Аг⁺ в сторону катода. Вблизи катода ионы нейтрализуются электро­нами, эмиттированными с поверхности электрода, и нейтраль­ные атомы стремятся скапливаться в прикатодной области. Для преодоления этой трудности в дисках делают дополнительные смещенные от центра отверстия, чтобы обеспечить за счет диф­фузии путь для возвращения атомов от катода к аноду. Отвер­стия проделываются таким образом, чтобы через возвратные от­верстия не шел ток за счет того, что длина образующихся путей больше ⁴ем длина пути через центральные отверстия. Виутрен-

няя керамическая трубка охлаждается водой для отвода боль­шого количества тепла, которое неизбежно выделяется в трубке (несколько кВт/м). Заметим также, что в области разряда па­раллельно оси к трубке прикладывается постоянное магнитное

_{поле. В такой конфигурации сила Лоренца уменьшает скорость} диффузии электронов к стенкам, В результате этого число сво­бодных электронов в центре трубки увеличивается и, следова­тельно, возрастает скорость накачки. Это позволяет объяснить

наблюдаемое увеличение выходной мощности в случае, когда

прикладывается внешнее магнитное поле. Удерживая разряд вблизи оси трубки, магнитное поле также уменьшает разруше­ние стенок. Заметим, что в мощных лазерах 1 Вт) зеркала монтируются снаружи трубки, чтобы ослабить деградацию зер­кального покрытия под воздействием вакуумного УФ-излучения, испускаемого плазмой. У маломощных лазеров (< 1 Вт) труб­ка обычно изготавливается из керамического (ВеО) блока, в" ко­тором для разряда просверливается центральное отверстие. В этом случае магнитное поле отсутствует, трубка охлаждается воздухом, а зеркала, как и в Не—Ne-лазере, впаиваются в кон­цы трубки.

Промышленностью изготавливаются аргоновые лазеры с во­дяным охлаждением мощностью 1—20 Вт, генерирующие на синем и зеленом переходах одновременно или только на одной линии при использовании конфигурации рис. 5.4, а. Также вы­пускаются маломощные (<1 Вт) аргоновые лазеры с воздуш­ным охлаждением. В обоих случаях выходная мощность над по­рогом резко увеличивается с ростом плотности тока (~ Я), так как в аргоновом лазере, в противоположность тому, что проис­ходит в Не—Ne-лазере, нет процессов, приводящих к насыще­нию инверсии. Однако КПД лазера очень мал (< Ю^-3), по­скольку мала квантовая эффективность (~ 7,5 %; см. рис. 6.11) и возбуждение электронным ударом происходит на множестве

^{уровней, которые не связаны эффективным образом с верхним}

лазерным уровнем. Аргоновые лазеры широко используются для накачки непрерывных лазеров на красителях, для множества научных применений (взаимодействие излучения с веществом), в лазерных принтерах, в лазерной хирургии и в техническом ос­нащении развлекательных программ.

В заключение данного раздела упомянем Кг+-лазер, который получил наиболее широкое распространение среди множества остальных ионных лазеров. Он также генерирует на многих дли­нах волн, среди которых наиболее интенсивной является крас­ная (647,1 нм) ^!>.

*> Конструкция и принцип действия Кг+-лазера аналогичны Аг+-лазер\\

Это позволяет создавать «белый» лазер, в котором рабочей средой является смесь газов Аг и Кг. Если не принимать мер для выделения линий, то одно­временно могут генерировать 5—6 линий Лг в сине-зеленом диапазоне и 2^—3 линии Кг в красном. Излучение такого лазера действительно выглядит белым. - Прим. перев.

^{6.3.2.2. He—Cd-лазер}

На рис. 6.13 показаны уровни энергии в системе Не — Cd, имеющие отношение к лазерной генерации. Накачка верхних лазерных уровней (²Аш и ²Z)₅/₂) в Cd⁺ осуществляется с по­мощью гелия через ионизацию Пеннинга. В общем случае этот процесс можно записать в виде

А*+В~*А+В^Н _е, (6.5)

где ион В^н в конечном состоянии может оказаться как возбу­жденным, так и невозбужденным. Разумеется, данный процесс

₂₅

_Не*

_.z¹_s

20

Яеннингойская ^ ионизация

I 15 5

10

(основное состояние)

_fs

Не Cd

Рис. 6.13. Основные уровни энергии Не — Cd-лазсра.

протекает лишь в том случае, когда энергия возбужденного атома А* больше или равна энергии, необходимой для иониза­ции атома В. Избыточная энергия переходит в кинетическую энергию электрона. Процесс протекает наиболее эффективно, если возбужденные частицы А* находятся в метастабильном со­стоянии. Заметим, что в отличие от резонансной передачи энер­гии ионизация Пеннинга является нерезонансным процессом: необходимо лишь, чтобы энергия возбуждения атома А* была больше, чем энергия ионизации или энергия возбуждения атома В (если атом В должен остаться в возбужденном состоянии). Действительно, любая избыточная энергия может быть передана в кинетическую энергию искусственного электрона. В реакции (6.5) в случае Не—Cd-лазера в качестве частицы А* выступает гелий в метастабильных состояниях 2'S и 2³5, и это возбужде­ние при столкновении передается возбужденному иону Cd+. Хотя

^{процесс и не резонансный, оказалось, что сечение возбуждения}

состояний D примерно в три раза больше, чем сечение возбу­ждения состояний А Однако более важно то, что время жизни состояний D (Ю-⁷ с) много больше времени жизни состояний Р (Ю^-9 с). Поэтому можно без труда достичь инверсии населен­ностей между состояниями D и Р. Лазерная генерация была по­лучена на линиях ²&з/2~>~²Р\/2 (^= 325 нм) и ²#5/2²^3/2 (Х= = 416 нм). Затем вследствие излучательной релаксации ионы Cd+ переходят в основное состояние ²Si/2-

Типичная конструкция Не—Cd-лазера имеет вид трубки с двумя выходными окошками под углом Брюстера, а оба зер­кала, смонтированы отдельно от трубки. В одной из возможных конфигураций в трубке, заполненной гелием, рядом с анодом имеется небольшой резервуар с металлом. Этот резервуар на­гревается до достаточно высокой температуры (~ 250°С), что­бы в трубке создалось необходимое давление паров. Когда пары достигают области разряда, часть атомов ионизуется и дви­жется по направлению к катоду!_2В самом разряде выделяется достаточно много теплоты, чтобы предотвратить осаждение па­ров на стеклах трубки. Однако пары конденсируются, когда до­стигают катодной области, в которой нет разряда и темпера­тура низка. В результате в трубке возникает непрерывный по­ток паров металла от анода к катоду (катафорез)У Поэтому, чтобы обеспечить длительную работоспособность трубки, ее ну­жно снабдить достаточным запасом Cd (1 г на 1000 ч). Выход­ные мощности Не—Cd-лазеров могут составлять 50—100 мВт, что ставит их в промежуточное положение между красными Не—Ne-лазерами (несколько милливатт) и Аг+-лазерами (не­сколько ватт). Не—Cd-лазеры представляют интерес для мно­гих применений, когда необходимо иметь пучки синего или

ультрафиолетового света умеренной мощности (т. е. для высоко­скоростных лазерных принтеров, голографии).