Лазеры на нейтральных атомах

Одним из первых лазеров был гелий-неоновый лазер, относящийся к газоразрядным лазерам. Инверсная населенность уровней в нем осуществляется с помощью газового разряда. Давление газов составляет величину в пределах долей мм рт. ст. Малая плотность газов позволяет зародившемуся в результате возбуждающего излучения, лучу многократно проходить между зеркалами резонатора без заметных искажений.

В He-Ne лазере рабочим веществом служат нейтральные атомы неона.

Инверсия населенностей уровней осуществляется за счет первоначального возбуждения атомов гелия на уровнях E₂ и E₃. Они практически совпадают с уровнями E₄ и E₅ возбужденных атомов неона. При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит перекачка энергии (). В данном случае, гелий, как буферный газ, является резервуаром возбуждения неона, т.к. неон нельзя возбудить прямым переходом на E₄ и E₅ из-за долгоживущего метастабильного уровня E₂. Гелий-неоновые лазеры излучают с: λ=0,63 мкм; 1,15 мкм и 3,39 мкм.

В настоящее время получена генерация более чем на 450 переходах между уровнями нейтральных атомов.

Помимо гелий-неонового лазера имеется ксеноновый (Хе) лазер, генерирующий на λ=3,5 мкм и Не-Хе лазер имеющий λ=2,02 мкм. Эти лазеры работают в непрерывном режиме, который обеспечивается газоразрядной накачкой.

В общем случае газовые лазеры работают в широком диапазоне волн (от 0,1 мкм до 1000 мкм) и мощности излучения (от 10^-6…10⁶ Вт) в непрерывном режиме и до 10¹⁵ Вт в импульсном режиме.

Ионные лазеры

Имеют в качестве рабочих веществ ионизированные инертные газы (Xe, Kr, Ar, Ne),а так же ионы фосфора, серы, хлора, кальция, цинка и других элементов.

Схема уровней в ионных лазерах

В ионных лазерах (ИЛ) лазерные переходы происходят между уровнями одно – или двукратно ионизированных атомов. Этому способствуют большие плотности тока при ионизации газов.

Инверсия населенности уровней осуществляется между E₃ и E₄. Уровень E₄ с большим временем жизни сильно заселяется возб. атомами. Сами атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми электронами в газовом разряде, а также путем перехода с полосы E₅.

Уровень E₃ имеет короткое время жизни относительно уровня E₁, и поэтому он быстро опустошается. Для сильной ионизации газа ток пропускают через длинный капилляр, который охлаждается из-за большой выделяемой энергии.

Схема ионного лазера на аргоне

(1 – зеркала, 2 – окна, 3 – баллон, 4 – капилляр, 5 – магнит, 6- трубка обратной циркуляции газа, 7 – охлаждающая трубка)

Для увеличения концентрации электронов в центре капилляра 4 создается продольное магнитное поле магнитом 5, которое сжимает разряд и предохраняет стенки баллона 3 от разрушения.

Первичные электроны генерируются катодом и на своем пути в разрядной трубке ионизируют газ. Разряд газа может выполнятся как на постоянном, так и на переменном высокочастотном поле.

Наибольшее распространение получили ионные лазеры на аргоне. Он генерирует в сине-зеленой части спектра с λ=0,488 и 0,514 мкм. Такой лазер может излучать и в УФ части спектра (0,34…0,37 мкм). Мощность излучения достигает 1 кВт. ИЛ на криптоне генерирует в красной части спектра λ=0,65…0,86 мкм.