Газовые лазеры

К газовым относятся лазеры, активная среда которых находится в газовой фазе. Это могут быть собственно газы, т.е. вещества, пребывающие в газообразном состоянии при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре, или пары, т.е. вещества, существующие при нормальных условиях в твердой или жидкой фазе. В последнем случае вещество искусственно нагревается до образования газообразной активной среды.

В газовых средах инверсия возникает на возбужденных состояниях изолированных атомов, ионов или молекул. Ширина линии генерации газового лазера минимальна среди всех видов лазеров и может быть в ряде случаев меньше долей герца. Газовая среда обладает гораздо большей оптической однородностью, поэтому потери на рассеяние в ней минимальны и, соответственно, в газовых лазерах можно получить наименьший угол расхождения пучка.

Относительно небольшая плотность активных частиц в газовой среде имеет и определенный минус, так как выполнить условие генерации можно только при наличии среды большой протяженности. Из-за малой плотности активных частиц газовые лазеры имеют гораздо бóльшие размеры, чем твердотельные. Длина разрядных трубок газовых лазеров меняется от нескольких сантиметров до нескольких метров, а выходные мощности - от долей ватта до киловатт.

Область длин волн, в которой работают газовые лазеры, простирается от ультрафиолетовой (~ 0,2 мкм) до далекой инфракрасной области спектра (400 мкм) и субмиллиметровой.

Газовые лазеры принято разделять на три группы: лазеры на атомарных газах; ионные лазеры; молекулярные лазеры.

Лазеры на атомарных газах, как правило, работают на переходах в инфракрасной области спектра. Излучение ионных лазеров приходится, в основном, на видимую область спектра и частично захватывает ультрафиолетовую (УФ). Несмотря на наличие молекулярных лазеров, работающих в видимой и УФ- областях спектра, основная часть их работает в ИК-диапазоне с длинами волн больше 5 мкм.

В подавляющем большинстве случаев в газовых лазерах накачка среды осуществля-ется за счет газового разряда, создаваемого непосредственно в самой активной среде.

Наиболее простыми и доступными среди всех лазеров, являются гелий-неоновые (Не-Ne) лазеры, работающие на возбужденных атомах неона. Активная среда He-Ne лазера представляет собой смесь атомарных газов неона и гелия в соотношении от 1:10 до 1:5 в стеклянной трубке при низком давлении (1  10 мм рт.ст). He-Ne лазеры могут работать на многих линиях в видимой и ближней ИК области спектра, среди которых наиболее интенсивными являются линии с длинами волн 632,8; 1152,3 и 3391,2 нм.

Собственно лазерный переход происходит в неоне, гелий является буферным газом и обеспечивает эффективную накачку. Оказывается, что энергии метастабильного уровня гелия и излучательного уровня неона оказываются примерно равными (см. рисунок). Передача возбуждения между двумя этими состояниями происходит в следующем процессе: He* + Ne + ΔE → He + Ne* и её эффективность оказывается очень большой (здесь (*) показывает возбуждённое состояние, а ΔE — различие энергетических уровней двух атомов.)

При переходах атома неона из метастабильных уровней 3S и 2S в состояния 3P и 2P возможно испускание индуцированного излучения на трех длинах волн. С нижних уровней лазерных переходов атом неона быстро переводится на метастабильный уровень 1S , а его освобождение возможно при соударении со стенками газоразрядной трубки.

Уровень выходной мощности Р изменяется от долей до десятков милливатт на каждой линии. На длине волны 632,8 нм предельная мощность с единицы длины активного элемента равна 50 мВт/м. Не-Ne лазеры характеризуются высокой стабильностью параметров излучения и значительным сроком службы (до 10000 ч). Для большинства Не-Ne лазеров характерным является режим работы на основной поперечной моде, диаметр пучка для лазеров с  = 632,8 нм обычно составляет 0,5  0,8 мм для маломощных и около 2 мм ‑ для более мощных, расходимость излучения   1  3 мрад.

Не-Ne лазеры, при всех своих достоинствах, имеют ряд существенных недостатков, к которым можно отнести малый коэффициент полезного действия (КПД) ~ 0,1 % и малый уровень выходной мощности.

Среди ионных лазеров на благородных газах наибольшее распространение получили аргоновые (Ar) и криптоновые (Kr) лазеры, для возбуждения которых используется дуговой разряд. Они являются самыми мощными газовыми лазерами непрерывного действия видимого и ближнего УФ диапазонов спектра. Суммарная мощность на многих 887линиях Аr лазера вблизи 500 нм достигает 10  20 Вт, а в области 350 нм ‑ 1  2 Вт. Основные длины волн излучения Аr лазера перекрывают диапазон 350  515 нм (10 линий). Низкий КПД ионных лазеров, который не превышает 0,1 %, требует использования мощных источников питания и эффективного охлаждения активного элемента. Удельная выходная мощность на каждой из основных линий генерации Аг лазера составляет примерно 5 Вт/м при отношении тока разряда к диаметру рабочего капилляра 25 А/мм. Диаметр пучка излучения равен 2 мм,   0,6 мрад.

Молекулярные лазеры ИК диапазона, работающие на колебательно-вращательных переходах молекул СО₂ и СО широко используются в диагностике плазмы. Среди всех лазеров углекислотный имеет один из самых высоких КПД — около 30%. В качестве лазерной среды применяется смесь He, N₂ и СО₂. Лазерный переход происходит между двумя колебательными состояниями молекулы диоксида углерода, азот обеспечивает эффективную накачку, а гелий ‑ эффективный теплоотвод.

Механизм образования инверсии населённостей состоит в следующем: ускоряемые электрическим полем, электроны газоразрядной плазмы при столкновениях возбуждают колебания молекул N₂ , которые, в свою очередь, сталкиваясь с молекулами CO₂ , возбуждают их. Происходит заселение одного из колебательных уровней CO₂, что и обеспечивает возникновение инверсии населённостей.

СО₂ лазер может работать на многих вращательных линиях молекулярных полос 9,6 и 10,6 мкм. Перестройка линий генерации обычно осуществляется с помощью дифракционной решетки, используемой в качестве одного из зеркал лазера. Наибольшее усиление имеют линии, длина волны которых близка 10,6 мкм, поэтому лазер без дисперсионного элемента работает на этой длине волны. Для возбуждения лазера обычно используется продольный тлеющий разряд постоянного тока. Выходная мощность лазеров малой и средней мощности составляет 5  40 Вт, расходимость луча ‑ 1  5 мрад.

Лекция 5

Импульсные лазеры с генерацией в ультрафиолетовой области спектра необходимы для исследования плотной плазмы и, прежде всего, на установках инерциального термоядерного синтеза. В качестве лазеров, в которых осуществляется прямая генерация УФ излучения наносекундной длительности, могут использоваться газовые лазеры на молекулярном азоте (N₂) и эксимерные лазеры на димерах и галоидах благородных газов (например, Xe₂ ; Ar₂ ; Kr₂ ; XeCl ; XeF ; KrCl).

Азотные лазеры нашли бóлее широкое применение в диагностике плазмы, чем эксимерные лазеры. Азотные лазеры формируют более короткий лазерный импульс ( 1 нс), они нетоксичны, имеют более простую конструкцию и, соответственно, значительно меньшую стоимость, что позволяет создавать на их основе многоканальные системы зондирования. Эксимерные лазеры в диагностических системах используются в первую очередь, благодаря большой мощности излучения, для накачки активной среды лазеров на красителях, а также для исследования лазерно-индуцированных процессов.

Для формирования УФ-излучения применяется также преобразование в высшие гармоники длинноволнового ( = 1,06 мкм) излучения твердотельного лазера на YAG:Nd.

Остановимся на устройстве и принципе действия N₂-лазера с поперечной накачкой.

Работа УФ азотного лазера (λ=337 нм) основана на использовании перехода между рабочими состояниями С ³_u  и B ³_g , которые имеют время жизни t_C  40 нс  и t_В  10 мкс, соответственно. Поскольку t_C < t_В получение инверсной заселенности верхнего рабочего состояния С ³_u   возможно только при импульсном возбуждении активной среды лазера. Азотный лазер относится к типу лазеров на самоограниченных переходах (самоограниченными называются переходы на метастабильный уровень, который служит нижним рабочим состоянием лазера). Импульс лазерного излучения всегда формируется на фронте импульса тока в обычном газовом разряде.

Время, в течение которого может существовать инверсная заселенность, чрезвычайно мало и ограничено величиной t_C  40 нс, которая уменьшается при увеличении давления азота. Из этого следует, что возбуждение активной среды лазера необходимо производить сильноточным наносекундным разрядом. Плотность разрядного тока обычно составляет величину 10⁴ А см², длительность фронта импульса тока t_Ф 10 нс. При этих условиях создается инверсная заселенность уровня С ³_u с высокой плотность накачки активной среды и становится возможным получение лазерной генерации без применения зеркал резонатора (режим сверхсветимости или суперлюминесценции).  Азотный лазер может работать в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов от единиц герц до нескольких килогерц.

Мощность генерации азотного лазера растет при увеличении скорости возбуждения и повышении рабочего давления. Однако по ряду причин эффективность азотного лазера остается достаточно низкой (к.п.д.  0,1 %). Значение полученной энергии генерации  0,01 ÷ 1 мДж. Длительность лазерного импульса изменяется от нескольких сотен пикосекунд (Р  1 атм) до t_и  20 нс (Р  0,1 атм).

Увеличению скорости нарастания тока препятствует паразитная индуктивность электрической цепи системы возбуждения, которая не позволяет вводить в разрядный объем электрическую энергию за время меньшее нескольких наносекунд.

Существует два типа газового разряда, которые используются для возбуждения активной среды импульсного газового лазера: продольный и поперечный. При продоль-ном возбуждении ток протекает в направлении формирования лазерного излучения, при поперечном направлении  перпендикулярно.

Азотные лазеры с продольным возбуждением работают при низком давлении (1  30 тор) и длине разрядного промежутка l = 20  50 см. Использование в системе возбуждения высоковольтного импульсного трансформатора приводит к затягиванию лазерного импульса (τ_и  10 нс).

Наибольший интерес для диагностики плазмы представляет ТЕА азотный лазер  лазер с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (Transverse Electrical discharge in gas at Atmospheric pressure). Он имеет короткий импульс (τ_и  1 нс), высокую мощность и может работать без зеркал резонатора.

1 - управляемый разрядник; 2 - электроды; 3 – место расположения разрядного объема

Конструкции электроразрядного модуля ТЕА азотного лазера показана на рисунке. Его назначение  формирование объемного разряда для накачки активной среды лазера. Электроразрядный модуль состоит из плоской формирующей линии Блюмляйна, управляемого разрядника, электродной системы и разрядного объема. Применение формирующей линии Блюмляйна, которая представляет из себя лист двухстороннего фольгированного гетинакса способного выдерживать рабочие напряжения до 30 кВ, обеспечивает высокую скорость нарастания разрядного тока. Также, для уменьшения суммарной индуктивности разрядного контура, электроды и разрядник установлены непосредственно на формирующую линию. Электроды изолируются от окружающего воздуха с помощью негерметизированного объема, через который свободно протекает газообразный азот, вытесняя воздух. Управляемый пробой в разряднике приводит к появлению перенапряжения на газоразрядном промежутке лазера и формированию сильноточного объемного безыскрового разряда.

Эксимерный лазер является одним из самых мощных источников ультрафиолетового излучения. Диапазон рабочих переходов различных типов эксимерных лазеров перекрывает область от вакуумного ультрафиолета до видимого излучения ( 120  350 нм). Первый эксимерный лазер был представлен Н.Басовым в 1971 году.

Эксимерные молекулы  это молекулы, существующие только в возбужденном состоянии. Термин «эксимер» получен от английского словосочетания excited dimer – возбуждённая двухатомная молекула. В основном состоянии атомы, из которых образуется эксимерная молекула, испытывают взаимное отталкивание и быстро разлетаются.

Типичные характеристики: энергия в импульсе Е 10 ÷ 10 ⁴ Дж при возбуждении электронным пучком, Е  0,1 ÷ 1 Дж при возбуждении электрическим разрядом, длительность лазерного импульса t_и  10 ÷ 100 нс.