2.3.2. Газовые лазеры

Принцип действия и общие характеристики. Как следует из названия этого раздела, рабочим телом газовых лазеров является газовая среда. Она может состоять из одной или нескольких атомарных или молекулярных компонент. Число ионов и нейтральных атомов и молекул, на которых получена инверсия, уже превысило 200 и продолжает расти. Диапазон длин волн, в котором работают газовые лазеры, простирается от вакуумного ультрафиолета до инфракрасного, по существу, до субмиллиметровой области спектра.

Газовые активные среды отличаются высокими оптической однородностью, мощностью излучения, простотой и эффективностью накачки, возможностью работать как в импульсно-периодическом, так и непрерывном режимах генерации. В табл. 3.2 представлен упрощенный вариант классификации газовых технологических лазеров, а также их активные среды.

Наиболее распространенными в технологии являются молекулярные СО₂ - лазеры с газоразрядным возбуждением, инверсная заселенность в которых возникает между колебательными уровнями молекулы СО₂. Генерация излучения с длинами волн 10,6 и 9,4 мкм (инфракрасное излучение) осуществляется в результате вынужденных переходов между верхним метастабильным уровнем 001 (τ₀ ~ 0,2 с) и нижними уровнями 100 и 020 (по 4-х уровневой схеме). Для получения оптимальных условий генерации в рабочий газ СО₂ добавляют азот - N₂ и гелий - Не.

Создание инверсии в 4-х уровневой схеме требует малой заселенности нижнего лазерного уровня.

Все лазеры на нейтральных атомах инертных газов генерируют (работают) в диапазоне инфракрасного излучения. Исключение составляют гелий (He)-неоновые (Ne) лазеры, работающие в зеленой и красной областях. Большой класс составляют лазеры на парах металлов таких как свинец (Pb), медь (Cu), золото (Au), кальций (Ca), марганец (Mn), которые работают в видимой области. Наибольшее значение среди них приобрел лазер на парах меди, гененрирующий на зелёном (510,5 нм) и желтом (578,2 нм) переходах. Все лазеры на парах металла работают в импульсном диапазоне. Принципиальная схема газового лазера приведена на рис. 3.3.

Таблица 3.2.

Классификация газовых технологических лазеров

Тип газового лазера	Способ накачки
Молекулярные (на колебательно-вращательных переходах)	Газоразрядный, включая электронный пучок	Газодинамический	Химический
	СО2, СО	СО2	СО2, СО, HF, DF, HCl, HBr
Атомные (на электронных переходах)	He-Ne He-Xe	-	-
Ионные	Ar, Kr, He-Cd	-	-
Лазеры на самоограниченных переходах	Cu, Ag, Au, Pb, N2, H2 и др.	-	-
Эксимерные	ArF, KrF, KrCl, XeF и др.	-	-

Рис. 3.3. Устройство газового лазера: 1 – разрядное устройство, 2,3 – соответственно зеркало с отверстием (полупрозрачное) и «глухое» зеркало, 4 – окна под углом Брюстера, 5 – вакуумный насос, 6 – электрический генератор

Газовый лазер снабжен зеркалами, отражающими в газоразрядную трубку 1 до 95% излучения. Окна Брюстера применяют для более эффективного использования получаемого излучения с целью его поляризации. Когда фотонов становится больше с частотой , чем поглощается, лазер начинает работать.

Гелий-неоновый лазер – первый газовый лазер непрерывного излучения (создан в 1961 г) на смеси атомов неона и гелия. Газы обладают узкими линиями поглощения (~0,633 мкм – красная линия) и (0,543 мкм – зеленая линия), лампы же накачки излучают свет в широком интервале длин волн, следовательно использовать их в качестве накачки невыгодно. Поэтому в газовых лазерах инверсная заселённость осуществляется электрическим разрядом, возбуждаемым в газах (см. табл. 3.2). Накачка в He-Ne-лазерах производится в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а лазерное излучение даёт неон (рис. 3.4). Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит их возбуждение и они переходят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи соответствующего уровня гелия. Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному и злучению с мкм. КПД He-Ne-лазера ~ 0,01% для лазера на стекле с неодимом ~75%.

Рис. 3.4. Схема энергетических уровней гелий-неонового лазера

В настоящее время создан мощный СО₂-лазер непрерывного действия с КПД ~ 30% на длине волны 10,6 мкм. В СО₂-лазере используется смесь СО₂, N₂ и He. Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы СО₂ (рис. 3.5).

Основное состояние СО₂-переходит в возбужденное состояние, которое имеет большее время жизни, в результате значительное число молекул находится в этом состоянии. Затем, теряя энергию, молекулы возвращаются на основной уровень, переходя в начале на уровень 2, потом на уровень 2´ и наконец на уровень 1. Переход в основное состояние может быть осуществлён и другими способами. Лазерный переход сопровождается инфракрасным излучением с длиной волны мкм, что ~ в 20 раз больше средней длины волны видимого света. Добавка He позволяет путем соударений удалять атомы с уровня 2 и обеспечивает большее число переходов. Азот используется так как его уровень близок к времени уровня СО₂, повышая заселённость этого уровня. Инверсия в СО₂-лазере создаётся главным образом в электрическом разряде при столкновительной передаче энергии от молекул N₂, возбуждаемых электронами разряда, а также при прямом возбуждении колебания молекулы СО₂ при столкновениях с электронами.

Рис. 3.5. Схема энергетических уровней СО₂-лазера

В наиболее распространенной рабочей смеси СО₂-лазера (СО₂:H₂:Не) углекислый газ излучает, азот накапливает энергию, гелий опустошает нижние лазерные уровни.

СО-лазер. Генерация на колебательно-вращательных переходах в основном электронном состоянии молекулы СО. Длины волн излучения заключены в интервале 5-6,5 мкм. Колебательное возбуждение происходит путем непосредственного заселения высших колебательных уровней молекулы СО при столкновениях с электронами газового разряд, при переходе энергии от колебательно-возбужденных молекул азота и т.п. В этом случае СО-лазер подобен СО₂-лазеру.

Азотный и водородный лазеры. Азотный лазер работает в ультрафиолетовом диапазоне. Наибольшее значение имеет длина волны 337,1 нм. Инверсия создаётся в импульсном электрическом разряде на переходах между относительно высоко расположенными возбужденными электронами молекулы N₂. Аналогичен механизм создания инверсии и водородного лазера.

Аргоновый лазер. Рабочим веществом являются ионы Ar⁺. Генерация осуществляется в непрерывном режиме на переходах между высокорасположенными уровнями конфигурации иона аргона. Наиболее интенсивное излучение на волнах 514,5 и 488,0 нм. Инверсия создается в сильноточном капиллярном разряде низкого давления при каскадном процессе ионизации атома и последующего возбуждения иона в столкновениях с электронами разряда. Нижний лазерный уровень опустошается радиационно. Для аргонового лазера характерны малый КПД и высокая выходная мощность, поэтому элементы его конструкции (электроды, стенки разрядного капилляра) работают в чрезвычайно напряженном режиме.

Медный лазер относится к числу лазеров на смоограниченных переходах. Рабочим веществом являются пары нейтральных атомов в меди. Генерация осуществляется на длинах волн 578,2 и 510,5 нм. Инверсия создается газовым разрядом. Электроны разряда заселяют резонансный уровень и слабо возбуждают метастабильный уровень. Генерация носит импульсный характер. Длительность импульса излучения может быть короче времени жизни верхнего уровня. Медные лазеры имеют высокий КПД ~ 0,38, что обусловлено относительно низким расположением метастабильного (нижнего лазерного) уровня на шкале энергии.