§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. Ионные лазеры обладают большей выходной мощностью, чем газовые лазеры на нейтральных атомах. Инверсия населённости создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрическом разряде. 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+. Ионные лазеры широко применяются в физических исследованиях, голографии и фотолитографии.
§1.5. Жидкостные лазеры
В жидкостных лазерах в качестве активной среды, как правило, используются водные или органические растворы.
Жидкости с активными ионами редкоземельных металлов.
В определенной мере жидкие растворы могут иметь преимущества перед твердотельными матрицами. Поскольку концентрация активных ионов в них может быть того же порядка, что и в стеклах, то и энергии, получаемые с единицы объема активных сред, могут быть сравнимы с характеристиками твердотельных лазеров. Объем активных сред при этом ограничен лишь объемами кювет. В жидкостях отсутствуют постоянные напряжения, структурные неоднородности и включения, однако при оптической накачке в них могут возникать значительные неоднородности. Возможна прокачка активной среды через лазерную кювету для охлаждения рабочего тела. При больших плотностях энергии в активной среде не возникает необратимого разрушения. В качестве активных частиц в жидкостных матрицах используются те же редкоземельные ноны, что и в стеклах.
Лазеры на основе органических красителей. Это лазеры, использующие в качестве активной среды органические соединения (красители в виде растворов). Органические красители составляют большой класс многоатомных молекул с сопряженными двойными связями. Лазерные красители обычно принадлежат к одному из следующих классов: 1) полиметиновые красители, обеспечивающие генерацию в красной или ближней ИК-области ( = 0,7—1,5 мкм); 2) ксантеновые красители, генерирующие в видимой области ( = 500—700 нм); 3) кумариновые красители, генерирующие в сине-зеленой области ( = 400—500 нм); 4) сцинтилляторные красители, ( < 400 нм).
В качестве растворителей используют воду, этанол, метанол, циклогексан, толуол, глицерин, бензол, ацетон и другие жидкости, а также полимерные материалы: полистирол, полиметакрилат. Молекулы красителей имеют сложную структуру и характеризуются большим числом энергетических состояний, представляющих собой сложные комбинации электронных колебательных и вращательных состояний. При рассмотрении механизма создания инверсии населенностей пользуются упрощенной пятиуровневой схемой. Генерация в красителях возникает на переходах с нижних колебательных подуровней первого возбуждённого электронного состояния на верхние, слабо заселённые подуровни основного электронного состояния.
Оптическую накачку осуществляют различными лазерами (эксимерными, газовыми, гармониками твердотельных лазеров) или газоразрядными импульсными лампами. В случае импульсной лазерной накачки лазеры на красителях излучают одиночные или периодически повторяющиеся импульсы длительностью единицы – десятки нс при КПД единицы – десятки процентов и мощности излучения – до сотен МВт. Спектр излучения смещён в длинноволновую сторону относительно излучения лазера накачки (рис. 1.30) и генерация при смене красителей может быть получена в широком спектральном диапазоне (322 нм – 1500 нм).
Рис. 1.30. Спектры поглощения (1) и люминесценции (2) красителя.
Благодаря возможности перестройки длины волны, широкому спектральному диапазону работы и возможности генерации очень коротких импульсов лазеры на органических играют важную роль в различных областях. В частности, эти лазеры широко используются в научных приложениях либо как непрерывные узкополосные (вплоть до одномодовых) перестраиваемые источники излучения для спектроскопии с высоким разрешением по частоте, либо в качестве лазеров с короткими (вплоть до ~ 30 фс) выходными импульсами для спектроскопии с высоким разрешением во времени. Среди других приложений — биология и медицина (например, лечение сетчатки или фотодинамическая терапия), а также лазерная фотохимия (например, лазерное разделение изотопов 235U).