3.4. Газовые лазеры

Газовый лазер представляет собой лазер, в котором активной средой являются газы, пары или смеси газов или паров. По способу накачки газовые лазеры условно делятся на газоразрядные, газодинамические и химические. Газоразрядные лазеры в свою очередь делятся на три группы: атомарные, ионные, молекулярные.

Газовые лазеры обладают наивысшей монохроматичностью и когерентностью (Δ/_max=10^-6…10^-9). Большая оптическая однородность газа позволяет изготавливать лазеры больших размеров (L = 0,3…2 м; d = 3…30 см). Это определяет очень малую расходимость лазерного излучения (_изл < 10^/), а также большие значения мощности излучения. Так как основная доля энергии газового разряда затрачивается на ионизацию атомов рабочего газа и лишь малая часть идет на создание инверсной заселенности уровней, то их КПД не велик (  1…10%).

В настоящее время наибольшее распространение получили: гелий-неновые лазеры (активные частицы – нейтральные атомы), аргоновые лазеры (активные частицы – ионы газа) и лазеры на углекислом газе (активные частицы – молекулы газа).

Мощность излучения в непрерывном режиме у гелий-неоновых лазеров составляет P_изл = 10^-4…10^-1Вт при   0,5%. Аргоновые лазеры в настоящее время являются наиболее мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Наибольшая мощность излучения приходится на _изл = 0,488 мкм и _изл = 0,515мкм. Мощность излучения в непрерывном режиме у этих лазеров составляет P_вых =10^-3…10² Вт.

Лазеры на углекислом газе СО₂ генерируют излучение в дальней инфракрасной области. Наибольшая мощность излучения наблюдается при длинах волн  = 10,6 мкм,  = 5,06 мкм. Следует отметить, что  = 10,6 мкм, соответствует окну прозрачности атмосферы, что позволяет использовать этот лазер в оптической локации. Эти лазеры отличаются высоким коэффициентом полезного действия (  10…30%) и способны обеспечить мощность излучения в непрерывном режиме P_изл = 10^-1…10⁴Вт, а в импульсном - до мегаватт.

3.4.1. Атомарные газовые лазеры

В атомарных газовых лазерах используются нейтральные атомы, находящиеся в виде газа или пара. Гелий-неоновый лазерявляется типичным и наиболее значимым среди всех лазеров на инертных газах. Генерация здесь осуществляется на переходах атома неона, а гелий добавляется в газовую смесь для повышения эффективности накачки. Инверсия населенностей между рабочими уровнями в нем осуществляется с помощью газового разряда по четырехуровневой схеме. Атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми свободными электронами. Малая плотность газов позволяет лучу многократно проходить между зеркалами резонатора, не искажаясь.

Рис. 3.4. Упрощенная схема энергетических уровней лазера.

В лазере рабочим веществом служит нейтральные атомы неона. Инверсия населенностей осуществляется за счет первоначального возбуждения атомовиз основногосостояния (оба электрона атомаHe находятся в состоянии 1s) на уровни и, образованные электронной конфигурациейии расположенные выше основного состояния на 19,82 и 20,61 эВ, соответственно. Состоянияиявляются нестабильными с временами жизни 10^-4 с и 5.10^-6 с, соответственно. Эти состояния атома гелия точно совпадают с состояниями 4s и 5s возбужденных атомов (рис. 3.4). Поскольку уровнииявляются метастабильными, атомыв этих состояниях оказываются весьма эффективным средством для возбуждения 4s и 5s уровней атомов .

Основное состояние атома отвечает замкнутой электронной конфигурации. Возбужденные состояниясоответствуют переходу одного электрона 2р в s- (3s, или), илир- (3р или 4р) состояния. Время жизни в состояниях и(мкс) на порядок превышает время жизни состояния 3р (мкс). Посколькуи-уровни атомамогут быть населены достаточно сильно, они хорошо подходят на роль верхних уровней лазерных переходов. Это позволяет получить инверсную населенность междуилиуровнями и 3р или 4р уровнями, которые можно рассматривать как нижние лазерные уровни. При этом гелий, как буферный газ, является резервуаром возбуждения неона. Неон нельзя возбудить прямым переходом на уровни ииз-за долго живущего метастабильного уровня 3s.

В лазере работа осуществляется не по четырехуровневой схеме, а по трехуровневой схеме: накачка осуществляется на верхний рабочий лазерный уровень. Усиление и генерация возможны на трех группах переходов (→4р, →3р и →3р ). Им соответствуют длины волн 3,39; 0,63 и 1,15 мкс. Наибольшее усиление достигается на переходе →4р.

Опустошение нижних лазерных уровней происходит путем излучательных переходов в 1s- состояние, где происходит накопление частиц. Переход атома из 1s- состояние в основное состояние происходит при его столкновении со стенками сосуда, т.е. за счет медленных процессов диффузии к стенкам. По этой причине работа лазера критична к диаметру трубки.

Лазерная генерация может быть получена на других нейтральных атомах, в том числе инертных газов (He, Ne, Kr, Aг, Xe). В связи с низким КПД и малой выходной мощностью они не получили широкого распространения.

Ионные лазеры. Ионные лазеры имеют в качестве рабочих веществ ионизированные инертные газы, а также ионы фосфора, серы, хлора и т.д. Наибольшее распространение получил аргонный лазер. Он генерирует в сине-зеленой части спектра на длинах волн 0,488 мкм и 0,514 мкм. Мощность излучения достигает кВт. Существенный недостаток: очень низкий КПД (0,1-0,01%).