5.Модуляторы добротности

6.Нелинейные оптические элементы. Преобразование частоты.

6. Газовые лазеры. Особенности газообразной активной среды. Основные методы возбуждения (электрический разряд, газодинамика, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка).

Газовые лазеры накачиваются, как правило, электрически, т. е. накачка достигается при пропускании достаточно сильного (постоянного, высокочастотного или импульсного) тока через газовую среду.

К газовым лазерам относят

1.1. Лазеры на нейтральных атомах

1.1.1. He-Ne лазеры

1.1.2. Лазеры на парах металлов (Cu, Au, Mn, Sr, Ca, Pb)

1.2. Ионные лазеры

1.2.1. Аргоновый лазер. Kr-лазер

1.2.2. He-Cd-лазер. Лазеры на ионах Ba, Ca, Sr

1.3. Молекулярные газовые лазеры

1.3.1. СО2-лазер

1.3.2 СО-лазер

1.3.3. Азотный лазер

1.3.4. Эксимерный лазер

Лазеры на нейтральных атомах

Газовый лазер, лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным.

Испущенная в каком-либо месте трубки световая волна при распространении её через газ усиливается за счёт актов вынужденного испускания, порождающих лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично проходит через него. Эта часть световой энергии излучается Г. л. вовне. Другая же часть отражается от зеркала и даёт начало новой лавине фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению распространения. Благодаря этому излучение лазера может обладать чрезвычайно большой монохроматичностью, мощностью и резкой направленностью.

Из газовых лазеров, работающих только в импульсном режиме, наибольший интерес представляют лазеры ультрафиолетового диапазона на ионах Ne (λ = 0,2358 мкм и λ = 0,3328 мкм) и на молекулах N2 (λ = 0,3371 мкм). Азотный лазер обладает большой импульсной мощностью.

Особенности газов как лазерных материалов. По сравнению с твёрдыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью.

Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах. Активной средой газовых лазеров является совокупность возбуждённых частиц газа (атомов, молекул, ионов), обладающих инверсией населённостей. Это означает, что число частиц, «населяющих» более высокие уровни энергии, больше, чем число частиц, находящихся на более низких энергетических уровнях. В результате этого активный газ может генерировать электромагнитное излучение частоты или с длиной волны

Специфические свойства оптической накачки. Оптическая накачка предполагает возбуждение активных центров при поглощении активной средой излучения от некоторого специального источника света. Различают некогерентную и когерентную оптические накачки (источником могут служить газоразрядные импульсные лампы, лампы непрерывного горения (газоразрядные и накаливания), искровые разрядники, пламя и т. д.*). При когерентной накачке источником накачивающего излучения служит вспомогательный лазер.

Для возбуждения газовых лазеров широко применяется метод накачки, использующий самостоятельный электрический разряд в активной среде. Такие лазеры принято называть газоразрядными*). Они работают на весьма разреженных газовых средах; давление газа составляет примерно 1—10 мм рт. Ст.

Электрические разряды, применяемые в газоразрядных лазерах. Активной средой газоразрядного лазера является образующаяся при возникновении электрического разряда газоразрядная плазма.

Из рисунка видно, что переход 1—2 возможен при поглощении фотонов с энергиями ħω, удовлетворяющими неравенствам (Е₁ — Е₀) <ħω< (Е₃ — Е₀). Если при этом ħω< (Е₂ — Ео), то происходит переход из исходного колебательного состояния терма 1 в одно из колебательных состояний терма 2. В этом случае спектр поглощения состоит из ряда узких линий. Если же ħω>(Е₂ —Е₀), то происходит переход 1 на 2, приводя­щий к диссоциации молекулы. В этом случае спектр поглощения будет непрерывным; его ширина равна Е₃ —Е_2.

Непрерывный характер и относительно большая ширина спектра поглощения фотодиссоциирующих молекул позволяют использовать широкополосную оптическую накачку для инициирования реакций фотодиссоциации:

AB+ħω→A*+B

Среди продуктов диссоциации молекулы по крайней мере один оказывается в возбужденном состоянии (A*) и может быть использован для получения лазерной генерации. Таким образом, широкополосная оптическая накачка в га­зовых лазерах оказывается возможной при использовании фотодиссоциации молекул в качестве промежуточного процесса*). Такие газовые лазеры называютфотодиссоционным.

7. Гелий-неоновый лазер. Схема уровней. Передача энергии возбуждения. Параметры разряда, параметры лазера.

Гелий-неоновый лазер

Генерация осуществляется в непрерывном режиме на длинах волн l=0,63 мкм, l=1,15 мкм, l=3,39 мкм.

Уровни энергии Не и Ne, участвующие в работе гелий-неонового лазера.

Первый газовый лазер, создан Джаваном с сотрудниками в декабре 1960 г. В качестве активной среды была использована смесь газов гелия и неона. Энергетическая диаграмма уровней Не и Ne дана на рис. Как видно из рисунка, различие между уровнями Не 2³S и Ne 2s оказывается достаточно малым, что обеспечивает интенсивный обмен энергии между атомами Не и Ne. Этот процесс протекает без излучения фотонов. Небольшая разница в энергии между уровнем 2³S He и самым верхним подуровнем 2s-уровня Ne, равная 0,04 эв, переходит в кинетическую энергию сталкивающихся атомов. При столкновении с электронами в плазме газового разряда атомы Не переходят в метастабильное состояние 2³S, причем время жизни в метастабильном состоянии равно приблизительно 10^-3 сек. Вследствие неупругих соударений 2-го рода между атомами Не, находящимися в метастабильном состоянии, и атомами Ne, находящимися в основном состоянии, происходит возбуждение атомов Ne: Не* + Ne ® Не + Ne* (2s) (1)

Выходная мощность

Одна из наиболее характерных черт Не-Ne-лазера состоит в том, что выходная мощность не увеличивается монотонно с током разряда, а достигает максимума и затем уменьшается. Поэтому промышленные Не-Ne-лазеры снабжаются источником питания, рассчитанным только на оптимальный ток. Наличие оптимального тока плотностью J (по крайней мере для переходов 0,633 и 3,39 мкм) связано с тем, что при высоких плотностях тока дезактивация метастабильных состояний (21S и 23S) атома Не происходит не только посредством диффузии к стенкам, но и при сверхупругих столкновениях типа

Не (21S) + е ® Не (11S) + е. (2)

Экспериментально было обнаружено, что населенность нижнего лазерного уровня (2р или 3р) продолжает расти с увеличением J (вследствие непосредственной накачки атомов Ne из основного состояния и каскадных излучательных переходов с верхних лазерных уровней; см. рис. 5).

Рис. 5. Схематические зависимости населенностей верхнего и нижнего лазерного уровней от плотности тока в гелий-неоновом лазере

Таким образом, по мере увеличения плотности тока разряда разность населенностей растет до некоторого максимального значения, а затем уменьшается. Следовательно, усиление лазера, а с ним и выходная мощность будут иметь максимальное значение при некоторой конкретной плотности тока. Кроме этого оптимального значения плотности тока Не-Ne-лазер имеет другие оптимальные рабочие параметры. В частности, к ним относятся:

1) оптимальное значение произведения полного давления газа р на диаметр трубки D [pD = 3,6 ‑ 4 (мм рт.ст.)×мм];

2) оптимальное отношение давлений Не к Ne (примерно 5:1 для l = 632,7 нм и 9: 1 для l = 1,15 мкм).

То, что существует оптимальное значение pD, указывает на наличие оптимальной электронной температуры.

Большинство Не-Ne-лазеров работает с капиллярами диаметром около 2 мм и получающаяся в этих условиях выходная мощность на переходе 0,633 мкм может быть в пределах 1 – 10 мВт при длине трубки от 20 до 50 см. Выходная мощность на зеленой линии обычно в десять раз меньше. КПД Не-Ne-лазера на любом из его лазерных переходов всегда очень мал (<10-3). Главной причиной столь низкого КПД является малая величина квантовой эффективности лазера.

8. Лазер на парах меди. Механизм генерации и основные характеристики лазеров на самоограниченных переходах. Трехуровневая модель. Режим насыщенной мощности.

Лазер на парах меди (ЛПМ) - импульсный газоразрядный лазер, генерация в котором осуществляется на переходах атомов с λ1 = 510.6 нм и λ2 = 578.2 нм. Он интересен, в частности, тем, что относит­ся к типу лазеров, генерирующих на самоограниченных переходах. Для образования паров меди и для создания инверсии используется импульсный разряд.

Схема уровней атома меди показана на рис. 1.3.1; штриховые стрелки — переходы, связанные с электронным возбуждением, непрерывные — оптические переходы, на ко­торых наблюдается лазерная генерация (0,51 и 0,58 мкм). Верхний рабочий уровень [атомные термы ²Pi/₂ и ²Р₃/₂; им соответствует электронная конфигурация (3d¹⁰) 4р] есть первый резонансный уровень атома меди. Нижние рабочие уровни (термы ²D_{3/2 и} ²D_5/2; им соответствует конфигурация 3d4s²) — метастабильные; переходы между этими уровня­ми и основным уровнем (терм ²Si/₂) оптически запрещены.

Самоограниченными называют переходы, где верхним рабочим уровнем служит первый резонансный уровень активного центра, а нижним является метастабильный уровень. Однако на указанных переходах возможна импульсная генерация; она может происходить в начале импульса возбуждения, когда скорость релаксации нижнего уровня несущественна, а существенно отношение скоростей заселения рабочих уровней. Поскольку длительность генерации ограничена в рассматриваемом случае свойствами самого перехода, такие переходы получили название самоограниченных.

Отношение скоростей заселения рабочих уровней в случае самоограниченных переходов особенно благоприятно, причем именно вследствие метастабильности нижнего рабочего уровня. Лазеры, работающие на основе самоограниченных переходов, отличаются весьма высокими значениями коэффициента усиления*).