Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

562 Раздел 5. ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

энерги~

Рис. 19.1

приведено на рис. 19.1, где 1 - газоразрядная трубка со смесью газов гелия и неона, 2 - зеркала резонатора, 3 - накаливаемый катод, 4 - анод, 5 - источник электрического питания.

Газоразрядная трурка (ГРТ) 1 изготавливается из кварца или

высококачественного стекла, подвергается термической обра­ ботке, откачивается и заполняется рабочей смесью. Отношение парциального давления гелия (Не) и неона (Ne) обычно составля­

ет величину PнefPNe = 5... 15. Выходные окна ГРТ устанавлива­

ются под углом Брюстера к оптической оси резонатора. Наличие брюстеровских окон обусловливает поляризацию генерируемого излучения и минимальное отражение его от торцов ГРТ. На­ ибольшее усиление им;еет место для волны, поляризованной в

плоскости, проходящей через ось резонатора и нормаль к плос­

кости выходного окна (на рис. 19.1 плоскость чертежа, являю­

щаяся плоскостью падения для луча лазера). В этой плоскости

поляризовано выходное излучение газового лазера.

Возбуждение газовой среды может быть обеспечено как посред­ ством безэлектродного высокочастотного индукционного разряда,

так и за счет разряда на постоянном токе (см. рис. 19.1).

В газовых лазерах на нейтральных атомах общее давление газовой смеси составляет величину порядка 1 мм рт. ст.

Индуцированное излучение создается атомами неона, а ато­ мы гелия облегчают получение инверсной населенности в неоне за счет неупругих процессов соударени~ 2-го рода.

Схема нижних возбужденных состояний атомов гелия и нео­

на приведена на рис. 19.2. НиЖним возбужденным состояниям

атома гелия соответствуют значения энергии 20,61и19,82 эВ.

временем жизни 't'~ 10-3 с. Энергетические состояния неона 2s,

3s, 2р, 3р, как это показано на рис. 19.2, представляют собой в каждом случае несколько близко расположенных энергетиче­ ских уровней. Уровни 3s и 2s неона энергетически близки к ме­ тастабильным уровням гелия. Состояния ls неона являются ме­

тастабильными (с временем жизни 't ~ 10-3 с); релаксационные

переходы из этих состояний происходят преимущественно за

счет столкновений атомов со стенками трубки. Накопление ато­

мов в этих состояниях является нежелательным, поскольку это

приводило бы к дополнительному заселению уровней 2р (за счет

захвата фотонов, возникающих при релаксационном излуча­

тельном переходе 2р---+ ls), а следовательно, к уменьшению ин­ версной населенности на рабочих лазерных уровнях.

Возбуждение атомов гелия и неона в разряде происходит за счет прямого электронного соударения. Населенность состояния

в установившемся режиме определяется произведением скорос­

ти заселения на время жизни данного состо.Яния. Следует отме­

тить, что времена жизни в-состояний неона несколько больше времен жизни р-состояний, поэтому даже при равных скоростях

возбуждения возможна инверсия населенностей в стационарном

режиме на переходах s-p.

Присутствие в разряде метастабильных атомов гелия приво­

дит к передаче возбуждения от метастабилей гелия 218 0 и 23 8 1

к атомам :Неона (состояния 3s и 2s). Поскольку эффект передачи возбуждения является резонансным, то он приводит к селек-

!.

W :Как отмечалось выше, при больших разрядных токах, когда

t концентрация электронов в плазме велика, начинают сказы­

!ваться процессы ступенчатого возбуждения нижних рабочих со-

··.·.. стояний 2р и 3р с долго.Живущих уровней ls. Скорость этого про­

цесса приблизительно пропорциональна квадрату концентра­

1 ции электронов, в то время как скорость прямого возбуждения fi·.· пВриблизительно линейно связана с концентрацией элебктронов.

На величину выходной мощности сильное влияние оказывает диаметр газоразрядной трубки. Увеличение диаметра приводит к увеличению объема активной среды, в результате чего мощность должна была бы нарастать. Однако с ростом диаметра трубки сни­

жается электронная температура, что снижает инверсию. Кроме

того, одним из основных процессов, приводящих к уменьшению

населенности состояния ls, является диффузия возбужденных

атомов неона к стенкам и их столкновение со стенками, что при­

водит к освобождению состояния ls. С увеличением диаметра трубки время диффузии атомов неона к стенкам увеличивается, следовательно, эффективное время жизни в состоянии ls также возрастает, вследствие чего инверсия населенностей снижается.

Таким образом, населенность нижних рабочих состояний лазер­

ного перехода растет с увеличением диаметра. В результате су­

ществует оптимальный диаметр ГРТ, который для трубки мет­ ровой длины равен 7 ... 9 мм. Повышения мощности генерации

можно добиться за счет применения трубок с эллиптическим се­

чением. Делая сечение трубки эллиптическим, можно, сохраняя

минимальный размер сечения неизменным, увеличить объем ак­ тивной смеси за счет другого размера сечения.

19.4.Ионные лазеры

Вионных лазерах используются не атомные переходы, а переходы между возбужденными состояниями ионов. Ионные лазеры способны генерировать гораздо большую непрерывную мощность по сравнению с лазерами на атомных переходах. Это

объясняется тем, что рабочие состояния ионных переходов рас­

полагаются значительно выше на энергетической диаграмме.

Поэтому выравнивание заселенностей инвертированных уров­ ней с ростом тока разряда (например, заселение уровней ls и 2р

внеоне) за счет ступенчатых процессов, наблюдавшееся на атом­ ных состояниях, в ионных лазерах не проявляется. Вероятности ионных переходов, как правило, больше, чем вероятности атом­

ных. Разность энергий между уровнями рабочего перехода боль­

ше и, следовательно, излучение происходит в более коротковол­

новой области по сравнению с атомарными лазерами. Ионные лазеры генерируют свет в видимом и УФ диапазонах длин волн.

Чтобы получить значительную долю ионов в разряде, плазма должна быть высокоионизованной, что можно обеспечить исполь­

зованием сильноточного дугового разряда. Рабочий ток в ионных

лазерах достигает нескольких десятков А, а плотность тоIСа -

1000 А/см2 • Это вызывает необходимость использования охлаж­

даемьlх электродов. Охлаждается также и газоразрядная труб­

ка, которая для получения высокой плотности газа делается ма­ лого диаметра, в виде капилляра. Рабочее давление газа, как пра­

вило благородного, составляет десятые доли мм рт. ст. Одним из

наиболее распространенных ионных лазеров непрерывного дей­ ствия является аргоновый лазер, работающий в диапазоне длин

волн 454".514 нм. В аргоновом лазере генерация осуществляется

на переходе 4p-4s. При создании инверсии населенностей засе­ ление возбужденных состояний иона аргона происходит в основ­ ном за счет ступенчатого электронного возбуждения из основного

ионного состояния. Измеренные значения времен жизни для

уровней 4р в несколько раз превышают времена жизни уровней 4s, что позволяет реализовать инверсию населенностей на этом

переходе с некоторой разностью населенностей, которую обозна­ чим ЛN. При увеличении давления газа концентрация электро­

нов возрастает, а электронная температура уменьшается. Это

приводит к существованию некоторого оптимального давления,

при котором инверсия ЛN и мощность генерации максимальны.

Оптимальное давление для различных линий несколько разли­

чается, причем для переходов, верхние уровни которых распола­

гаются выше, оптимальное давление меньше. Область оптималь­ ных давлений - десятые доли мм рт. ст.

При возрастании тока разряда увеличивается концентрация

заряженных частиц, которая зависит от плотности тока бо­

лее сильно, чем при линейном законе. При токах в несколько

десятков А электронная температура от тока почти не зависит, поэтому с увеличением тока величина ЛN и мощность генера­ ции возрастают (рис. 19.5) примерно по квадратичному закону

Р - / 2• Фактором, который в конечном счете должен привес­

ти к насыщению инверсии ЛN

выбывшего из состояния 4s иона занимает новый. Происходит увеличение эффективного времени жизни 4s-состояния и умень­ шение инверсной населенности ЛN. Суммарная мощность гене­ рации ионных лазеров достигает десятков Вт на трубках дли­ ной до 2 м, коэффициент полезного действия составляет со­

тые-десятые доли процента.

19.5. Молекулярные газовые лазеры

Атомарные и ионные лазеры имеют весьма малый коэффици­ ент полезного действия. Это связано с тем, что верхний рабочий

уровень высоко расположен над исходным состоянием, с которо­

го идет возбуждение, поэтому в процессе создания инверсии на­ селенностей принимает участие лишь малая доля общего числа

электронов.

Для гелий-неонового лазера значение энергии электрона, необ­ ходимое для возбуждения гелия, около 20 эВ (см. рис. 19.2). Сред­ няя энергия хаотического движения электронов (электронная тем­ пература) в разряде порядка 7....8 эВ, электронов с энергией выше

20 эВ в разряде не более 5...6%. Такого же порядка и эффектив­ ность использования энергии накачки. Подобная ситуация имеет место и в ионных лазерах. Кроме того, в указанных типах лазеров

низка и эффективность использования энергетических уровней, которая определяется отношением энергии излучения (Еизл) на ра­

бочем переходе к энергии возбуждения (Е5036). Для гелий-неоново­ го лазера отношение ЕизлfЕвозб""' 2/20""' 0,1, т. е. в этих лазерах КПД не может быть более 10%. Сказанное означает, что с точки зрения повышения КПД газовых лазеров перспективным являет­

ся использование низко расположенных энергетических уровней,

например вращательных и колебательных молекулярных уров­

ней. В молекуле, состоящей из нескольких атомов, внутренняя

энергия определяется не только энергией электронов каждого ато­ ма, но и энергией колебательного и вращательного движения ато­

мов в целом около некоторого положения равновесия.

Рассмотрим молекулярный газовый лазер, работающий на сме­ си азота и углекислого газа. Схема нижних колебательных со­ стояний молекул СО2 и N 2 представлена на рис. 19.6. Генерация

возникает на переходах 4 ~ 3 и 4 ~ 2 в молекуле СО2• Отметим, что верхний рабочий уровень в молекуле СО2 отстоит от основ­ ного состояния меньше чем на 0,35 э~ (для сравнения у неона примерно 20 эВ). Нижнее колебательное возбужденное состояние

ных молекул азота с молекулами СО2, находящимися в основном состоянии, возможна передача возбуждения, ведущая к преиму-

,щественному заселению состояния 4. В результате возникает ин­

версия на переходах 4 --+ 3 и 4 --+ 2. Рабочему переходу 4 -- 3 соот­ ветствует длина волны 10,6 мкм. Опустошение нижнего лазерного

уровня 2 или 3 происходит очень быстро вследствие колебатель­

ного и вращательного обмена, так что молекула попадает в ниж­

нее колебательное состояние 1' причем выравнивание заселен­

ностей лазерных уровней 2 и 3 происходит в течение 10-8 ••• 10-9 с.

Опустошение колебательного состояния 1 происходит на не­ сколько порядков медленнее, так что необходимы дополнитель­

ные компоненты в активной среде для достижения быстрого опустошения уровня 1 и тем самым поддержания инверсной на-

селенности на необходимом уровне. Оптимальными компонен­

тами являются гелий, водород и вода. Соответственно этому ис­ пользуется газовый разряд со смесью СО2, N2 :и Не (отношение

парциальных давлений Рс02 : PN : .Рне = 1: 1: 8). В лазерах же

2

на чистой смеси C02-N2 рабочий объем заполняется смесью угле­ , кислого газа и азота в соотношении (1 : 1)...(1 : 5) при общем давле-

нии порядка 1 мм рт. ст. Добавка гели.я значительно увеличива­

ет мощность генерации. К уменьшению инверсии населенностей приводит диссоциация молекул СО2 (50 ...80% молекул распа­

дается в течение 0,1 ... 1 с) с образованием молекул СО и повыше­ нием температуры газа, что приводит к более высокому теплово­

му заселению нижнего лазерного уровня и ускорению столкно­

вительной релаксации верхнего лазерного уровня 4.

СО2-N 2 лазер является одним из важнейших типов лазеров.

С помощью С02-лазера достигается максимальная непрерывная

мощность лазерного излучения. Его высокий КПД (больше 20%)

превышает КПД почти всех других лазеров, за исключением по­

лупроводниковых, существует несколько разновидностей С02-ла­ зеров. К ним относятся: СО2-лазеры с непрерывным возбуждени­ ем, Импульсные СО2-лазеры, ТЕлазер на СО2 высокого давле­ ния, волноводный СО2-лазер, газодинамический СО2-лазер и ряд других. Наиболее мощным из перечисленных типов СО2-лазеров

являются газодинамические, с помощью которых можно получать

непрерывную генерацию с мощностью более 100 кВт. В этих лазе­

рах инверсия населенностей образуется благодаря тому, что смесь

газов (СО2, N2, Н20) с высокой температурой(~ 1500 К) и большим давлением(~ 2 МПа) вытекает через сверхзвуковое сопло с высокой скоростью. Из-за того, что при истечении газодинамиче­ ской струи происходит ее расширение и охлаждение, нижний ла­

зерный уровень СО2 релаксирует к состоянию с более низкой тем­

пературой существенно быстрее, чем верхний, поэтому в направ­

лении потока образуется инверсия населенностей.

В дальней ИК области вплоть до миллиметрового диапазона

длин волн используются колебательно-вращательные уровни

тщшх молекул, как CH3Br, NH3 , Н20, H 2S, 802 , HCN, CH3F,

СН30Н и т. д. Когерентное излучение в УФ диапазоне длин волн

можно получить в лазерах на Н2, а также на атомах Ne, Ar, Kr, Хе, Cl, F, С, О, N и т. д., находящихся в различных ионизацион­

ных состояниях.

19.6. Разновидности газовых лазеров

19.6.1. Эксимерные лазеры.

В качестве активной среды в лазерах этого типа выступают молекулы, которые могут существовать только в возбужденном состоянии. Такие молекулы называются эксимерами. В экси-

мерных молекулах для лазерной генерации используются элек­

тронно-колебательные переходы между устойчивым возбуж­

денным (Е1) и химически неустойчивым основным состоянием (Е0). В качестве примера эксимерных молекул можно привести возбужденные молекулы благородных газов и их соединения:

Хе;, Кг;, Аг;, XeF*, XeCl*, КгF*, АгF* и т. д. (звездочка озна­

чает возбужденную молекулу).

Если в рабочем объеме создать большую концентрацию экси-

'мерных молекул, например, пучком электронов с энергией до

1 МэВ и плотностью тока до 1011 А/см2 , то может быть получена.

инверсная населенность возбужденного уровня Е1• В результате возникает инверсия населенностей на переходах между верх­ ним связанным состоянием Е1 и нижним неустойчивым состо­ янием Е0• Из-за того, что верхнее состояние Е1 представляет собой полосу электронно-колебательных уровней, а в нижнем состоянии отсутствует дискретная вращательно-колебательная

структура уровней энергии, излучение эксимерного лазера про­

исходит в сравнительно широком спектральном диапазоне, что

позволяет перестраивать частоту генерации в пределах этого

перехода.

Помимо широкополосности излучения, можно отметить так­ же то, что эксимерные переходы из возбужденного в неустой­ чивое основное состояние из-за быстрой диссоциации экси-

'мерной молекулы сопровождаются практически мгновенным

опустошением нижнего лазерного уровня. Время жизни экси­

меров мало(~ 10-9 ".10-8 с), поэтому эксимерные лазеры работа­

ют в основном в импульсном режиме, генерируя короткие им­

пульсы излучения с энергией до 105 Дж и КПД до 10%. Экс­

имерные лазеры излучают энергию в УФ диапазоне длин волн

(~1... 3,5)102 нм.

19.6.2. Химические лазеры.

Инверсия населенностей в химических лазерах достигается за

счет энергии химических реакций между отдельными составляю­ щими активной среды, при этом используются только экзотерми­ ческие реакции. В результате этих реакций в газовых смесях, на­

пример таких, как HF, происходит выделение энергии, большая часть которой переходит в колебательную энергию молекул.

Таким образом, основным достоинством химических лазеров является прямое преобразование химической энергии в энер-