значительнопревосходить время жизни уровня накачки 4, с которого

21

происходит заселение верхнего лазерного уровня.

3. Необходимо, чтобы была быстрая

, которая должна значительно превышать скорость распада верхнего

лазерного уровня.

релаксация атомов с нижнего лазерно

уровня 2

4. Поскольку коэффициент усиления пропорционален сечению перехода, то он

обратно пропорционален ширине линии перехода. Таким образом,

рассматриваемый метастабильный уровень должен иметь

достаточноузкую

ширину ли ии перехода

Существует вариант

четырёхуровневойсхемы, в котором

.

, а не на уровень, с которого

накачка пр исх дит

происходит заселение верхнего лазерного уровня. Фактически, мы имеем в этом случае

непо ре ственно аверхнийлазерный урове ь

только три уровня: основной, верхний и нижний лазерные уровни. Однако, поскольку

здесь имеется отличный от основного уровня нижний лазерный уровень, как и вслучае

четырёхуровневого лазера здесь

. Кстати,

здесь квантовая эффективность оказывается выше, поскольку отсутствуют потери,

отсутствует пороговое значение накачки

обусловленные переходом с уровня накачки на верхний лазерный уровень.Подобная

схема уровней встречается в некоторых лазерахна парах металла.

МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЕ С ПРИМЕРАМИ

птическим

Накачка осуществляется, как правило, одним из двух следующих способов:

или

. Если активная среда представляет собой твёрдое тело, то

единственным способом его накачки, не приводящим к разрушению, является

электрическим

. Чтобы осуществить

эффективную передачу светаот лампы активной среде, используется специальная

облучениесветомотмощн й г зоразрядной лампы

оптическая система. Частным вариантом оптической накачки является

. В этом случае лазерный луч используется для накачки другоголазера. Если

лазе ная

твёрдое тело обладает электрической проводимостью, то не исключенавозможность

накачка

его накачки за счёт пропускания электрического тока. Этот вариант накачки

имеем

реализуется в полупроводниковых лазерах. Обычнос

дело при осуществлении различных типов электрического разряда в газах. Менее

распространённымиг

способами накачкиявляются

электрическойн качкой

и

.

химическая накачка

зодинам ческая накачка

Рассмотрение методов создания инверсии позволят познакомиться со средами, в

которых•

лазерные переходы осуществляются:

•

между электроннымисостояниями атомов,

•

между уровнями энергии молекулярных возбуждений,

между энергетическимисостояниями электронов не в отдельных атомах или

молекулах, а в кристалле в целом, то есть переходах между зонами.

ЛАЗЕРЫ НА НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМАХ ( HE-NE ЛАЗЕР)

22

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона, и

инверсия

населенностей создаётся между энергетическими уровнямиих электронных

состояний. Первый He-Ne лазер был создан в Bell Labs в 1960 Али Джаваном. Этот лазер

излучал на длине волны 1.152 мкм. Лишь позднее была открыта возможность

генерации в видимом диапазоне (красная линия) не длине волны 632.8 нм.

He-Ne лазерыбыли самыми дешевыми источниками маломощного (~0.5÷50 мВт)

видимоговизлучения вплоть до появления в 1990 гг дешевых полупроводниковых

лазеров (

красном 635÷870 нм и близком ИК участках спектра – лазеры на основеGaAs

Красные He-Ne лазерыимеютсущественное преимущество над диодными лазерами ).

Отметим, что для CD плейеров используется излучение AlGaAs на дли еволны780-nm

там, где требуется пучок с малой угловой расходимостью или узким спектром.

He-Ne лазеры могут работать на многих длинах волн:

543.5 нм (зеленая), 594.1 нм (желтая), 604.0 нм (оранжевая), 611.9 нм (оранжевая),

632.8 нм (красная – достигается наиболее мощное излучение в видимом диапазоне

среди этих линий), 1.523 мкм (хорошо подходит для оптоволоконных

коммуникационныхсистем), 3.39 мкм.

Схема нижних возбуждённых уровней энергии гелия и неона, где получается наиболее

мощное излучение, представлена на рисунке.

В чистом неонесоздать инверсию

трудно.

Эта трудностьобходится введением в

разряд дополнительного газа He,

являющегося

. Нижние возбуждённые

доноромэнергии

состояния гелия 2 S и 2 S, находящиеся

в збуждения

3

1

на

выше основного уровня,

являются

≈ 20 eV

(переход из основного состояния в эти

метастабильными

состояния запрещён в

со

электродипольном приближении)

.

Поэтому они хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении

временем жизни около 1 мсек

электронным ударом.

Когда атом He, находящийся в одном из этих метастабильных состояний, сталкивается с

атомом Ne в основном состоянии, он может передать ему энергию своего возбуждения.

Такая передача тем более эффективна, чем более точно совпадают уровни энергии

сталкивающихся частиц. Говорят,что имеет место

, если разница энергий состоянийоказывается порядка или меньше

резонансная передача

энергии теплового движения частицы . Дефицит энергии между уровнями гелия и

возбужд ния

,тогда как при температуре 300 K

уровнями неона 2s и 3s примерно равен 0.04

.

kT

eV

eV

kT ~ 0.025 eV

Каждый элементарный процесс накачки требует затраты энергии около 20 , тогда

как энергия лазерного фотона не превышает 2

eV

.

Внутри кварцевой трубки находится смесь He иNe с отношением парциальных

давлений в диапазоне

при общем давлении несколько торр.

Электрический разряд осуществляется внутри помещённого в трубку капилляра между

He : Ne 5 :1

ложительными ионами и, обычно, кольцевым анодом. Газовый разряд

большим цилиндрическим катодом, выдерживающим столкновения с

поддерживается источником питания с напряжением порядка 1000 вольт и током

разряда порядка 25 50 .

~

мм.

÷

mA

2

Трубка

Длина капилляра варьируется в диапазоне от 10 до 50 см, а диаметр

часто снабжается

Брюстеровскими окнами

.

-ЛАЗЕР)

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ (CO

2

CO2-лазер относитсяк классу молекулярных лазеров, в которых

эле

излучательные

, в данномслучае молекулы CO2.

переходы происходят между колебательными уров ями одногои того же

Наиболее распространенными являются

CO2-лазеры.

электронного состояния (основного)молекулы

разделяются на три группы, в

Колебательные энергетические уровни молекулы CO2

Как следует из изображенной схемы,

.

СО2 - лазер можносчитать

четы хуровневым

В лазере используется специальная смесь газов CO2, N2 и He. Инверснаянаселённость

получается следующимобразом. В газовом разряде заселяется первый−возбужденный1

колебательный уровеньмолекулы азота. Он очень близок по энергии к асимметричной

моде колебаний молекулы CO . Поскольку дефицит энергии

оказывается

2

0

малым, то при столкновении с возбужденнымимолекуламиN2

∆E ≈

18 cm

на верхний лазерный уровень 00 1. Заселение уровня

00 1 происходит также и за счет

происходит

в газовом

резонансное возбуждение СО2

0

0001 →1000

разряде.

прямого электронного возбуждения СО2

с длиной

Генерационными переходами молекулы СО2

являются переходы

волны излучения

и

с длиной волны излучения

. Каждый

колебательный переходпредставляетсобой совокупность вращательных переходов. В

10.6 µm

0001

→ 0200

9.6

µm

зависимости от используемой оптической схемы резонатора лазер может генерировать

на одной или многих линиях одновременно. Промышленные лазеры работают на

длинах волн от 9 до 11 микрон.

газокинетические

Механизмом опустошения нижнего лазерногоуровня являются1

быстрому

В рассматриваемом случае

0. Кроме этого, наличие He,

столкновения.

наличие He в этойсмеси способствует

обладающего высокой теплопроводностью, за счет быстрого теплоотвода способствует

расселениюнижнеголазерного уровня01

, поскольку

поддержанию

. Это необходимо, чтобы

низкойтемпературы СО2

избежать

разность энергий между уровнями сравнима с

(уровень 01 0 отстоит от основного

состояния на

).

25

≈ 670 cm−1 ≈ 0.08 eV

kT

-1

1

Связь единицы измерения энергии «см » с единицей измерения энергии

«эрг»

даётся выражением

EErg = hc(1 λ) = hcE

−1

.

Классификацию•

CO2 лазеров можно, например, производить

cm

•

по скорости газового потока: медленная прокачка или быстрый поток

по направлению газового потока по отношению к направлению

•

распространения луча: поперек или вдоль луча

по типу возбуждения: разряд постоянного тока (тлеющий разряд) или

•

переменного тока радиочастотного диапазона

по величине давления активной среды (низкого давления, атмосферного

давления)

CO2 :N2 :He

в весовом соотношении

Активная среда представляет собой смесь газов

. Вакуумный насос создаёт рабочее давлениесмеси газов ~ 100 миллибар (~ 0.1

атм.).Температура газовой смеси не должна превышать 200

300 С , для чего

~0.5:2:5

0

предусмотрена системаохлаждения.

÷

Для технологических целей используются лазеры с мощностями, лежащими в

диапазоне от 1 до 25 KW.

Тепло отдаётся стенкам разрядной

трубки (диффузное охлаждение)