§1.5. Газовые лазеры

В газовых лазерах в качестве активной среды используется газообразные вещества. Семейство газовых лазеров многочисленно и они генерируют в широком спектральном диапазоне: от УФ области спектра до субмиллиметровых волн. Газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью. Поэтому излучение этих лазеров однородно, а расходимость может достигать дифракционных пределов. Но из-за малой плотности газа невозможно получить их большую концентрацию – поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров значительно ниже, чем у твердотельных и жидкостных лазеров.

Гелий-неоновый лазер (He-Ne лазер). Это был первый газовый лазер и его запустил американский учёный А. Джаван (рис.1.22) в 1961 году.

Рис. 1.22. Создатель He-Ne лазера А. Джаван

Упрощённая схема энергетических уровней He-Ne лазера изображена на рисунке 1.23. В гелий-неоновом лазере активным веществом являются нейтральные атомы Ne. При электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня E₁ на возбуждённый верхний уровень E₅. Но в чистом Ne время жизни на этом уровне мало и атомы быстро переходят с него на нижние уровни E₄, E₃, E₂ и E₁, что препятствует созданию инверсной населённости. Примесь He существенно меняет ситуацию. Возбуждённые энергетические уровни атома гелия F₂ и F₃ совпадают с верхними уровнями E₅ и E₄ неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов He, с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией E₁) происходит передача возбуждения, в результате которой атомы Ne переходят на уровни E₅ и E₄, а атомы He возвращаются в основное состояние F₁. При достаточно большом числе атомов He в газовой смеси можно добиться преимущественного заселения уровней E₅ и E₄ неона. Этому же способствует опустошение уровня E₃, происходящее при соударении атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Уровни E₅, E₄, E₃ обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн, из которых наиболее эффективными и востребованными являются 0.63 мкм и 1.15 мкм. Несмотря на малый КПД этих лазеров, их излучение обладает высокой монохроматичностью, а конструкция самого лазера достаточно проста и надёжна.

Рис. 1.23. Упрощённая схема энергетических уровней He-Ne лазера

Ионные лазеры. Генерация на ионизированных газах была впервые получена американским физиком У. Б. Бриджесом в 1964 году. Ионные лазеры обладают большей выходной мощностью, чем газовые лазеры на нейтральных атомах. Инверсия населённости создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрическом разряде. Генерация наблюдается на 440 переходах ионов 29 элементов. Наиболее мощная генерация (до сотен Вт) получена в сине-зелёной области спектра (488 нм – 514 нм) на ионах Ar²⁺, в жёлто-красной (568 нм – 647 нм) на ионах Kr²⁺, на УФ линиях Ne²⁺, Ar³⁺ и Kr³⁺. Упрощённая схема энергетических уровней Ar²⁺ лазера представлена на рисунке 1.24. Ионные лазеры широко применяются в физических исследованиях, голографии и фотолитографии.

Рис. 1.24. Упрощённая схема энергетических уровней Ar²⁺ лазера

^CO₂ ^{лазеры. Относятся к классу газовых молекулярным лазеров. Это наиболее мощные газовые лазеры с высоким КПД.}

^{В атомарных и ионных лазерах первый возбуждённый уровень обычно имеет энергию, равную приблизительно ½ энергии ионизации, остальные уровни расположены выше, сгущаясь к ионизационному пределу. Поэтому большинство процессов возбуждения неселективно: возбуждается одновременно много уровней, что уменьшает КПД такого лазера. А молекулы, в отличие от атомов, кроме электронных уровней имеют колебательные и вращательные уровни энергии (рис. 1.25).}

^{Рис. 1.25. Возможные колебания молекулы CO}₂

^{Расстояния между нижними колебательными уровнями часто малы, поэтому можно возбудить только колебания молекул, не затрагивая электроны. У многоатомных молекул существует несколько типов колебаний. Излучательные переходы между уровнями одинакового типа дают квантовый выход, близкий к единице. Высокая эффективность возбуждения колебательных уровней, большой квантовый выход и селективность резонансной передачи энергии позволяет достичь в молекулярных газовых лазерах КПД до 25 %. Генерация наблюдается на колебательно-вращательных переходах 23 молекул.}

^{Наиболее интересны молекулярные лазеры на CO}₂ ^{( = 9.4 мкм и  = 10.6 мкм). В газовой смеси CO}₂ ^{и N}₂ ^{газоразрядных CO}₂ ^{лазеров электроны в тлеющем разряде возбуждают колебательные уровни молекул CO}₂ ^{и N}₂ ^{(рис. 1.26).}

^{Рис. 1.26. Схема нижних колебательных состояний молекулы СО}₂

^{Молекулы N}₂ ^{при столкновении с молекулами CO}₂ ^{передают им энергию, заселяя верхний лазерный уровень. Достигаемые мощности – единицы кВт. Схема конструкции такого лазера с продольным разрядом представлена на рисунке 1.27. В более мощных CO}₂ ^{лазерах используется схема с поперечным разрядом и непрерывной прокачкой газа, что позволят достигать на выходе – десятки кВт.}

^{Рис. 1.27. Схема конструкции СО}₂ ^{лазера с продольным разрядом}

^{Эксимерные лазеры. Это газовые лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённом состоянии). Нижний уровень лазерного перехода является т. н. “отталкивательным” (невозбуждённые атомы отталкиваются друг от друга и не образуют молекулу). Энергия верхнего уровня лазерного перехода молекулы KrF (см. рис. 1.28) имеет минимум, соответствующий образованию эксимерной молекулы. При наличии в газе некоторого количества эксимерных молекул, создаваемых накачкой, инверсия населённостей возникает благодаря эффекту опустошения нижнего уровня за счёт разлёта ядер.}

^{Рис. 1.28. Зависимость энергии эксимерной молекулы KrF от расстояния R между атомами Kr и F}

^{В эксимерных лазерах используются двухатомные эксимерные молекулы – короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом. Излучение этих молекул соответствует видимой или УФ областям спектра. Наиболее часто используются следующие эксимерные лазеры: ArF ( = 193 нм), KrF ( = 248 нм), XeCl ( = 309 нм), XeF ( = 351 нм).}

^{Активная среда эксимерного лазера состоит из инертного газа при атмосферном давлении или несколько большем давлении с возможными малыми добавками галогенсодержащих молекул. Эксимерные молекулы образуются в результате протекания, например, следующего процесса}

^{Kr* + F}₂ ^{–» (KrF)* + F}

^{В силу малых времён жизни активных молекул (~10-8 с) и большой ширины линии усиления для осуществления генерации требуется создать достаточно высокую концентрацию эксимерных молекул. Это достигается за счёт использования мощных импульсных источников возбуждения – мощных электронных пучков или импульсного поперечного разряда. При возбуждении импульсным электрическим разрядом возможна генерация с высокой частотой повторения импульсов (~ 10 кГц) и высокой средней мощностью излучения (десятки Вт). Фотография одного из промышленно выпускаемых эксимерных лазеров представлена на рисунке 1.29.}

^{Рис. 1.29. Внешний вид эксимерного лазера MPB}