11.4. Газовые лазеры

Общие сведения. Газовыми лазерами называются оптические квантовые генераторы, в которых активной средой является газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. В зави­симости от того, состояния каких частиц используются для получе­ния инверсии населенностей, различают атомные, ионные и моле­кулярные лазеры.

Газовые лазеры являются наиболее распространенным в на­стоящее время типом лазеров. Они излучают на волнах от ультра­фиолетового до инфракрасного диапазона и об­ладают самой высокой степенью когерентности выходного излуче­ния по сравнению со всеми остальными источниками света. Газо­вая среда обладает хорошей оптической однородностью, поэтому можно получить наименьший угол расхождения пучка. Угловая ширина пучка примерно равна

Гелий-неоновый атомный лазер. Активной средой является смесь двух газов — гелия и неона а лазерными уровня­ми — энергетические уровни возбужденных атомов неона. Для создания инверсии населенностей используют электрическую на­качку путем создания тлеющего разряда в газоразрядной трубке. Схема лазера с возбуждением постоянным током приведена на (рис. 11.6) (1 — зеркала, 2 — торцевые окна, 3 — катод, 4 — труб­ка, 5 — анод). Диаграмма нижних энергетических уровней гелия и неона приведена на (рис. 11.7). Основные состояния атомов обозначены цифрой I. При разряде вследствие неупругих соударений, со свободными электронами происходит возбуждение атомов ге­лия, которые могут переходить на метастабильные уровни II и III. Энергия возбужденных атомов передается далее атомам неона. Энергетические уровни гелия II и III очень близки к уровням и неона. Поэтому при неупругих соударениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит эффективная передача избыточной энергии атомов гелия к атомам неона. Атомы неона переходят в возбужденные состоянияилиа атомы гелия — в основное состояниеI.

Атомы гелия являются посредниками при передаче энергии от быстрых электронов к атомам неона. Поэтому гелий можно на­звать вспомогательным, а неон — основным, или рабочим, газом. Очевидно, существует и обратный процесс передачи энергии от атомов неона к атомам гелия. Чтобы прямой процесс преобладал, необходимо значительное преобладание концентрации гелия над концентрацией неона. Обычно диапазон отношения концентраций составляет Эффективность передачи энергии оказывается высокой также потому, что время жизнина уровняхII и III большое Эти уровни являютсяметастабильными: для них запрещены переходы в основное состояние.

В результате неупругих соударений атомов и населен­ности уровней ивозрастают, а уровней и остаются ма­лыми. Так как у время жизни уровней ибольше, чем у уровней и соответственно, то при определенном токе разря­да возникает инверсия населенности в переходе и

Рабочий переход соответствует длине волны излученияЭто наиболее эффективный переход, усиление на нем достигаетВынужденное излучение осуществляется на переходе при излучении длины волны а на— при излучении длины волныТак как ин­версия для всех трех переходов достигается примерно в одинако­вых условиях разряда, то для выделения излучения одной длины волны нужно применять специальные меры, например, вводить в резонатор селективный поглотитель.

Частицы с уровня возвращаются на основной уровень в два этапа. Сначала происходит спонтанный переход а затем с метастабильного уровня частицы удаляются из-за диффузии на стенки газоразрядной трубки, которым они отдают избыток своей энергии. Чтобы облегчить диффузию, надо уменьшить диаметр газоразрядной трубки. Обычно диаметр трубки не превышает

Выходная мощность зависит от тока разряда, общего давления в газовой смеси, соотношения парциальных давлений гелия и неона, диаметра разрядной трубки. Зависимость выходной мощности от тока разряда имеет резко выраженный максимум (рис. 1.8). Первоначально мощность генерации возрастает вместе с увеличением тока. Затем начинает проявляться электронное воз­рождение уровней и с метастабильного уровня Вследствие этого возрастает населенность нижних рабочих уровней, а инверсия и мощность излучения падают вплоть до срыва генерации.

С ростом общего давления в смеси увеличивается концентрация атомов гелия и неона и растут населенность возбужденных уровней и выходная мощность. Однако при высоком давлении, когда концентрация частиц в разряде становится большой, умень­шается длина свободного пробега электрона и соответственно уменьшается энергия, приобретаемая электроном на этом пути в электрическом поле. Последнее приводит к уменьшению энергии, передаваемой атомам гелия, и к снижению мощности излучения. Оптимальное давление примерно Внешний вид гелий-неонового лазера показан на (рис. 11.9).

Ионные лазеры. В этих лазерах используются энергетические переходы между уровнями возбужденных ионов. Применяются чи­стые инертные ионы: аргон, криптон, ксенон, неон, а также иони­зированные пары различных химических элементов (например, се­лена, цинка, йода). Энергетические уровни основного и возбуж­денного состояний иона расположены гораздо выше уровней воз­бужденных состояний нейтральных атомов, поэтому вероятность прямого возбуждения этих уровней очень мала. Установлено, что заселение верхнего, рабочего, уровня происходит в результате сту­пенчатого возбуждения при соударениях электронов с ионами, на­ходящимися в основном состоянии. Для получения большой мощ­ности необходима высокая концентрация ионов в разряде. Поэто­му применяется дуговой разряд с высокой плотностью тока, со­ставляющей от в непрерывном режиме дов импульсном режиме.

Наиболее распространенным из ионных лазеров является арго­новый лазер, работающий на квантовых переходах между возбуж­денными состояниями иона в видимой части спектраДля повышения плотности разряда в ионных лазерах применяют продольное магнитное поле, которое удержи­вает заряженные частицы вблизи оси трубки. В большинстве слу­чаев поле создается соленоидом, охватывающим газоразрядную трубку. Использование поляпозволяет увеличить вы­ходную мощность в несколько раз.

Мощность излучения ионных лазеров выше, чем лазеров, рабо­тающих на атомных переходах. В непрерывном режиме выходная мощность составляет десятки ватт, а в импульсном — десятки киловатт. Однако КПД ионных лазеров очень низкий —

Молекулярные лазеры. Недостатком атомных и ионных лазеров является их низкий КПД, который объясняется тем, что верхний рабочий уровень расположен очень высоко над основным состоянием и поэтому в процессе возбуждения принимает лишь малая доля общего числа электронов. Для повышения КПД можно использовать колебательные возбужденные состояния молекул, энергетические уровни которых расположены значительно ближе друг к другу, чем электронные. Это облегчает генерацию колебаний и позволяет получить излучение в инфракрасном диапазоне. Для возбуждения молекулярных лазеров используются различные способы накачки: электрический разряд, химическая, оптическая и тепловая накачки.

Наиболее распространенным молекулярным лазером является лазер на углекислом газе который имеет оченьхорошие параметры: высокие выходную мощность и КПД как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Используется смесь рабочего углекислого газа с азотом в которую добавлен гелий. Гелий добавляют для увеличения теплопроводности смеси и улучшения отвода тепла от центра к стенкам газоразрядной трубки, способствует уменьшению населенности нижних рабочих уровней и повышению мощности лазера.

Упрощенная диаграмма нижних энергетических уровней углекислого кислого газа и азота приведена на (рис. 11.10). Рабочими переходами являются переходы и вызывающие вынужденное излучение в инфракрасном диапазоне на длинах волн около исоответственно. В газоразрядной плазме принеупругих соударениях с электронами возбуждаются молекулы ипри этом происходит заселение уровней и Крометого, имеется обратная передача энергии от молекул азота, находящихся в состоянии к молекулам (аналогичный процесс отмечался в гелий-неоновом лазере). Это также приводит к возбуждению верхнего уровня 4. Эффективность возбуждения велика, так как уровень расположен близко к уровню Эти уровни имеют большое время жизни. Диаграмма (рис. 11.10) упрощена, колебательные уровни молекул дополнительно расщеплены на вращательные подуровни. Число излучаемых переходов дости­гает нескольких десятков. Наиболее интенсивным является пере­ход с длиной волныпри этом часто подавляется генера­ция на других переходах.

В мощном молекулярном лазере используется тлеющий раз­ряд в трубках большой длины. В лазере на наблюдается сла­бая зависимость выходной мощности и КПД от диаметра газораз­рядной трубки. Диаметртрубки может быть увеличен до что облегчает выполнение схемы охлаждения. Увеличение длины газоразрядной трубки приводит примерно к пропорциональному увеличению мощности излучения.

Особенностью лазера на является необходимость постоян­ного движения газа через газоразрядную трубку, так как число молекул постоянно уменьшается в результате диссоциации на кислород и окись углерода:Если не восполнить убыльмощность лазера через некоторое время заметно уменьшится. Конструкции лазеров наи гелий-неоновой смеси имеют много общего. Дополнительные требования связаны с боль­шей выходной мощностью лазеров на— это необходимость охлаждения и повышенная термостойкость окон и зеркал.

Наибольшая мощность излучения получена в лазере с прокач­кой газовой смеси вдоль оптической оси резонатора. Достигнута максимальная мощность в непрерывном режиме работы, при этом КПД составилИмпульсный режим работы ла­зера облегчает решение проблемы теплоотвода. В импульсном ла­зере при длине трубкии длительности импульсадостиг­нута максимальная импульсная мощность излучения около

Газодинамический лазер. Советскими учеными В. К. Конюхо­вым и А. М. Прохоровым в 1966 г. был предложен инфракрасный газодинамический лазер на углекислом газе в смеси с азотом, с охлаждением в сверхзвуковом сопле. Такой лазер был создан в 1970 г. Инверсия населенностей уровней возникает в газодинами­ческом лазере при быстром (сверхзвуковом) расширении предварительно нагретой газовой смеси.

Схема газодинамического лазера приведена на (рис. 11.11) (1 — сопло, 2 и 3 — полупрозрачное и отражающее зеркала резонато­ра). При сжигании топлива в камере сгорания получается угле­кислый газ, который здесь же смешивается в определенной про­порции с азотом и водяным паром, образуя высокотемпературную плазму. Газовая смесь под давлением со сверхзвуковой скоростью проходит через сопло1 и за ним расширяется и охлаж­дается. Вследствие относительно большого времени жизни верхне­го уровня молекулы и малого времени прохождения газачерез сопло населенность возбужденного при нагреве газа верхнего уровня сохраняется за время движения молекул от камеры сгора­ния до оптического резонатора. Значительно меньшее время жиз­ни частицы на нижнем уровне приводит к тому, что населенность нижнего уровня оказывается много меньше населенности верхне­го уровня уже на расстоянии нескольких сантиметров от сопла. Таким образом, создается инверсия населенностей уровней и газ поступает в резонатор, состоящий из двух зеркал, параллельных потоку.

Мощность излучения газодинамического лазера, определяется расходом вещества и энергией, запасенной при нагревании газа. В газодинамическом лазере тепловая энергия газа в форме коле­бательного движения молекул непосредственно превращается в направленное когерентное электромагнитное излучение. В непрерывном режиме получена мощность излучения несколько сотен киловатт при пока малом КПД