Квантовая и оптическая электроника

2000 МГц, λ = 1,152 мкм она достигает 1000 МГц, λ = 3,394 мкм она достигает 400 МГц.

При длине резонатора 1 м ОКГ может генерировать на λ = =0,63 мкм до 10–12 продольных колебаний, на λ = 1,152 мкм до 5– 6 продольных колебаний.

He-Ne ОКГ характеризуется высокой стабильностью излучения. Относительный уход частоты за 1 час составляет 10–9 . За счет принятия специальных мер, уменьшающих шумы ОКГ, удалось достигнуть высокой монохроматичности излучения (ширина спектра генерации — единицы герц). При больших длинах газоразрядной трубки ОКГ имеет малую расходимость (несколько угловых минут). КПД мал и составляет сотые доли %. He–Ne ОКГ обеспечивают высокую степень поляризации излучения при использовании газорарядных трубок с окнами, наклоненными под

углом Брюстера к оптической оси резонатора.

2. Ионные ОКГ. В гелий-неоновых лазерах используют энергетические переходы возбужденных атомов, а в ионных лазерах — переходы между возбужденными состояниями ионов инертных газов. Вероятность ионных переходов больше, чем вероятность атомных переходов.

Ионные лазеры относятся к приборам средней мощности (Р=1–100 Вт), работающим в основном в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В таких лазерах используют переходы между энергетическими уровнями однократно и многократно ионизированных ионов инертных газов, а также ионизированных паров цинка, кадмия, серы и других твердых веществ.

132

Ионные лазеры обладают низким КПД (η = 0,01–1 %), большими потребляемыми мощностями, требуют эффективного охлаждения разрядного капилляра. Возбуждение активной среды осуществляют с помощью сильноточного дугового разряда постоянного тока (≈103 А) или путем высокочастотного возбуждения. Заселению верхних лазерных уровней ионов способствуют одноступенчатые и каскадные переходы, возникающие при столкновении с электронами плазмы, либо столкновения второго рода с буферными газами, добавляемыми в активную среду.

В ионных лазерах применяют чистые инертные газы: аргон, криптон, неон. Энергетические уровни основного и возбуждаемого состояния иона расположены гораздо выше уровней возбужденных состояний нейтральных атомов, поэтому вероятность прямого возбуждения этих уровней очень мала. Считается, что заселение уровней ионов происходит в результате ступенчатого возбуждения при соударениях электронов с ионами, находящимися в основном состоянии

Несомненно, возможны и другие механизмы, например излучательные каскадные переходы с более высоких уровней иона А+ или передача возбуждения при столкновении с подходящими по энергии метастабильными уровнями иона. Расстояние между ионными уровнями на энергетической диаграмме больше, чем расстояние между энергетическими уровнями, следовательно, переходы соответствуют более коротковолновой области.

В ионных лазерах на благородных газах энергетические затраты значительны, КПД мал, следовательно, велико паразитное энерговыделение, что приводит к термическим и эрозионным разрушениям разрядных труб и т.п. С другой стороны, эти лазеры имеют то преимущество, что инертные газы относительно дешевы, легко могут быть получены в чистом виде, не реагируют с катодом, геттерами, стенками и т.д., эти газы не надо греть, чтобы получить желаемую плотность.

1.Лазеры на однократно и двукратно изолированном орин-

гоне (λ = 0,32–0,8 мкм).

2.Ионах ксенона (λ = 0,3–0,63 мкм).

133

3.На ионах хлора (λ = 0,47–0,53 мкм).

4.На ионах аргона (λ = 0,45–0,55 мкм).

Ионные лазеры относятся к приборам средней мощности (Р=1–100 Вт), работающим в основном в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Промышленные лазеры при непрерывном режиме обладают мощностью излучения 0,1–10 Вт.

Ионные лазеры обладают низким КПД (η = 0,01–1 %), большими потребляемыми мощностями, требуют эффективного охлаждения разрядного капилляра.

Высокая когерентность излучения может быть достигнута лишь при использовании дополнительных мер по селекции типов колебаний. Повышение мощности получения ограничено конструктивными и технологическими возможностями изготовления сильноточных газоразрядных трубок повышенной тепловой стойкости. Для уменьшения тепловой нагрузки разрядный капилляр помещают по внешнее продольное магнитное поле, которое концентрирует разряд около оси капилляра что приводит к уменьшению взаимодействия заряженных частиц со стенками. Направленное движение ионов создает разность давлений газа между анодной и катодной областями. Для выравнивания давлений необходим обводной канал, соединяющий эти области.

Ионные лазеры на парах металлов требуют дополнительного нагревания лазерного вещества до рабочих температур и поддер-

жания равномерной плотности паров по длине разрядной трубки. Аргоновый ОКГ. Из ионных лазеров наиболее распростра-

нены лазеры па аргоне, работающие в сине-зеленой области спектра. Из девяти линий генерации наиболее сильные две: с длинами ноли λ1 = 0,488 мкм и λ2 = 0,5145 мкм.

Инверсия населенности в аргоновом лазере создается следующимобразом.

В основном состоянии атом Ar имеет электронную конфигурацию 1S22S22P6 3S23P6. На самом деле уровни 3р44P и 3p44S состоят из множества уровней, поэтому ОКГ может генерировать на многих переходах между подуровнями этих состояний в широком диапазоне длин волн 0,46–0,52 мкм (т.е. в сине-зеленой области спектра). На рис. 7.7 показаны энергетические уровни аргона.

134

Сначала атомы Ar, сталкиваясь с электроном, образующимся в плазме газового разряда, ионизируются. Первое возбужденное состояние атома Ar соответствует переходу в состояние Ar+(3p5). Затем, при втором соударении, происходит возбуждение Ar (переход одного электрона из 3р- в 4р-оболочку).

Перевод одного из электронов с 3Р5-оболочки иона аргона на оболочку 4S дает 5 энергетических уровней, а возбуждение электрона с 3Р5-оболочки на 4 Р-оболочку ведет к образованию 13 уровней.

Е, эВ

Рис. 7.7

Генерация в аргоновом ОКГ осуществляется между состояниями иона Ar+ с электронной конфигурацией 3Р44Р и 3Р44S. Инверсия населенности обеспечивается процессами ступенчатого электронного возбуждения и разным временем жизни верхних и нижних рабочих уровней.

Для ионизации газа данный ОКГ требует протекания через газоразрядную трубку токов очень большой плотности — до нескольких тысяч А/см2. При использовании токов такой плотности необходимо применять специальные меры для сохранения газоразрядной трубки от перегрева.

Поэтому все аргоновые ОКГ работают, как правило, с водяным охлаждением. Для уменьшения бомбардировки стенок трубки ионами и электронами используют продольное магнитное поле, которое концентрирует заряженные частицы вдоль оси трубки (см. рис. 7.8). Газовый разряд создается в капилляре диаметром

135

6 мм. По конструкции аргоновые ОКГ несколько отличаются от гелий-неоновых. На рис. 7.8 введены обозначения: 1 — соленоид, 2 — обводной канал, 3 — зеркала.

1

2

Рис. 7.8

Катод эмитирует электроны, которые под действием электрического напряжения движутся к аноду, ионизируя атомы Ar+. Ионы Ar+ сосредоточиваются у катода, что приводит к уменьшению давления газа у анода. Это может сорвать заряд. Для этого в конструкции применен обводный канал, который выравнивает давление газа в основном (рабочем) капилляре. Вследствие однонаправленного движения ионов аргона в разрядном промежутке, контур спектральной линии имеет асимметричную форму (такой же вид имеет кривая усиления). Блок питания представляет собой мощный выпрямитель (около 100 кВт), выходное напряжение которого составляет около 400 В. Используется также высокочастотное возбуждение разряда. Это позволяет уменьшить нагрев стенок газоразрядной трубки за счет уменьшения бомбардировки ионами.

Рабочее давление аргона в разрядном капилляре устанавливается в несколько десятков паскалей. При мощном дуговом разряде происходит перекачка газа от анодного конца трубки к катодному, в результате чего образуется перепад давления и разряд гаснет.

Обычно используют разрядные трубки из кварца ø 15–20 мм и длиной от 10 см до нескольких метров. Плотность разрядного тока до сотен ампер на 1 см2 в ОКГ, непрерывны действия Рвых до

2 Вт.

136

При плотности тока > 500 А/см2 используют разрядные капилляры из керамики (из окиси бериллия). Рвых таких ОКГ — до

10 Вт.

Внешние магнитные поля, применяемые для сжимания плазмы, увеличивают концентрацию электронов на оси капилляра, уменьшют поток заряженных частиц на стенки. Напряженность магнитного поля имеет величину порядка Н = 105 А/м.

Рассмотрим от чего зависит Рмакс.вых ОКГ на Ar+. Она зависит от силы тока разряда (Jразр), давления газа (Р), размеров разрядного капилляра, величины напряженности магнитного поля (Н).

ионов при соударении с e , вследствие чего инверсия, а значит, и мощность получаются малыми. Величина оптимального давления зависит от диаметра разрядной трубки. Экспериментально установлено, что величина Ропт. В зависимости от диаметра трубки (d) определяется jd =100 А/см (j — плотность тока разряда) соотношением Ропт = 6,5 d–1 , здесь d выражено в см. Для реально используемых трубок d = 10–15 мм, Ропт = 10–40 Па.

На рис. 7.10 приведена Руд = f (d). Из рисунка видно, что удельная мощность генерации растет с ростом d. Используются трубки с d = 10÷15см.

138

Лазеры на парах металлов (ионные лазеры). Среди ион-

ных лазеров особое место занимают лазеры на парах металлов (He-Cd, медный, золотой и другие). На рис. 7.12 показаны энергетические уровни He-Cd.

Рис. 7.12

Механизм возбуждения ионов кадмия (Cd) при столкновении с подходящими по энергии атомами He* следующий:

He* + Cd → He +(Cd+)*+ e.

Скорость накачки активной среды Сd-лазера пропорциональна плотности тока разряда, а не квадрату, как в аргоновом лазере, а это приводит к меньшим плотностям тока и мощности, рассеиваемой на средней длине разрядной трубки Ризл = несколько

сколько торр (1мм р.ст). Концентрация ионов кадмия (Cd) мала. При работе лазера вначале зажигается тлеющий разряд, за-

тем чаша, содержащая Cd, нагревается до температуры —

139

230–250 0С, при токе разряда 100 мА появляется массовый поток Cd и составляет (1–1,5) ×10–3 r/час. Давление паров кадмия равно ПCd = (3–4)*10 –3 торр при напряжении U = 4,5 кВ и токе разряда

Jразряда = 0,1А. Энерговыделение на единичной длине трубки — 3 Вт/см. Для термостабилизирования среды достаточно простого

воздушного охлаждения стеклянной трубки. Выходная мощность достигает Рвых = 100–200 мВт на волне 0,325 мкм и оптимальной прозрачности окна 5–7 %.

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется сле-

дующим выражением

h=hн×hν / Ee,

где Ее — энергия возбуждаемого уровня; hн — доля энергии накачки, вводимой в разряд, которая тратится на возбуждение.

Предельное КПД определяется соотношением hν/Ес — лазерного перехода атомарного и ионного газа.

Высокорасположенные уровни Ев » 10–20 эВ, поэтому hν/Ес £ 0,1 и равно h = 10–3 –10 –4 .

Низколежащие уровни имеют более высокий h.

Существует много металлов, h которых велико. Наибольшим значением обладает линия таллия: h = 47% l

сколько меньше h у свинца, золота, меди. На рис. 7.14 показаны энергетические

(Рген) при l = 510 нм много больше мощности генерации при l = =578 нм, а время следования импульса t = 5–10 нс; пиковая мощность (Рпик) равна 200 кВт.

140

Экспериментально показана возможность повышения частоты следования импульсов разряда до 100 кГц. Этому соответствует время жизни нижнего уровня 10 мкс.

Так как в разрядной трубке наблюдается высокотемпературный режим, то применяются аллюминиевая и берилливая керамики на основе Al2O5 и BeO.

Применяются такие лазеры в фотохимии, при исследованиях

молекулярных рассеяний света типа комбинационного рэлеевского. Молекулярные ОКГ. Низкий КПД атомарных и ионных ла-

зеров, работающих в непрерывном режиме, обусловлен следующим. При определении КПД необходимо учесть, что не все электроны имеют достаточную энергию в газовом разряде для возбуждения верхнего рабочего уровня. В существующих атомарных и ионных ОКГ доля таких электронов относительна мала. Основная же часть энергии в типичных условиях газоразрядной плазмы тратится на возбуждение самых низких уровней. Поэтому КПД этих лазеров составляет доли процента.

Структура энергетических уровней молекул такова, что лазерное излучение молекулярных лазеров, соответствующее переходам между колебательно-вращательными уровнями, лежит в диапазоне длин волн, превышающих 5 мкм. Переходы между электронными уровнями позволяют получать лазерное излучение в видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин ноли. Однако в настоящее время большинство молекулярных мощных лазеров являются лазерами далекого ИК-диапазона. В молекулярных структурах одному колебательному энергетическому состоянию с квантовым числом ν соответствует много вращательных уровней энергии, характеризующихся квантовыми числами j, отличающимися на единицу. Поэтому использование при возбуждении в газовом разряде колебательных, низко расположенных уровней частиц приводит к увеличению эффективности накачки и повышению КПД.

Основные успехи в создании мощных газоразрядных молекулярных лазеров достигнуты при разработке генератора на углекислом газе, наиболее эффективно работающем на волне длиной

λ= 10,6 мкм.

Большое внимание уделяется спектральному составу излучения молекулярных лазеров. Используя методы стабилизации час-