11.5. Газовые лазеры на ионах аргона

Из многочисленных переходов между уровнями ионизированных атомов, на которых получена инверсная населенность, практическое применение нашли лазеры на ионизированных газах: кадмия, аргона, азота.

Первый ионный лазером лазер на парах ртути Hg⁺, работающий на длине волны 0,615 мкм, был создан в 1964г. В том же году появились сообщения о генерации на многих линиях ионизированного аргона в импульсном и непрерывном разряде. Было замечено, что усиление в разряде аргона необычно велико по сравнению с гелий-неоновым лазером и иногда достигает ~ 1 м^-1.

В аргоновом лазере генерация происходит при переходах между возбужденными уровнями однократно ионизированного аргона. При работе в непрерывном режиме доминирующими являются линии с длинами волн: 0,4880 и 0,5145 мкм.

Развитие ионных аргоновых лазеров происходило так быстро, что уже в конце 1964 г. были созданы непрерывные лазеры с мощностью 7 Вт. Большим преимуществом ионных аргоновых лазеров является то, что они расширили область генерации из красной и инфракрасной в сине-зеленую область.

Капиллярная разрядная трубка ионного аргонового лазера с внутренним диаметром 1,5 .. 2 мм и длиной ~ 1м должна интенсивно охлаждаться, так как плотность тока в разряде достигает 500 А/см². Такие трубки необходимо изготавливать из специальной керамики (из окиси бериллия BeO или алюминия Al₂O₃), так как кварцевое стекло оказалось недостаточно стойким материалом в случае мощного разряда.

Оказалось, что мощность генерации можно существенно увеличить с с помощью продольного магнитного поля, действующего на канал газового разряда. Магнитное поле создается очень простым способом – с помощью соленоида, навитого на рубашку водяного охлаждения газоразрядной трубки. Оптимальное значение напряженности магнитного поля, зависящее от давления аргона, диаметра капилляра и тока разряда, составляет несколько тысяч А/м.

Магнитное поле концентрирует разряд в центральной части газоразрядной трубки. Это уменьшает диффузию ионов к стенкам трубки и увеличивает число полезных соударений. В результате плазма вблизи оси трубки возбуждается сильнее, чем в периферийных областях.

Рис. а. Зависимость выходной мощности ионного аргонового лазера от силы тока разряда, б. Примерная зависимость относительной мощности генерации аргонового лазера от напряженности осевого магнитного поля.

Рис. Структура энергетических уровней иона аргона с указанием лазерных переходов.

На рис. показаны основные переходы иона Ar II , играющие роль в создании инверсной населенности в аргоновом лазере. Каждый уровень характеризуется определенной электронной конфигурацией, определяемой главным и орбитальным квантовыми числами. Например, 3p⁴4s обозначает электронную конфигурацию, в которой четыре электрона в состоянии с n = 4 и l = 0 и один электрон в состоянии с n = 4 и l = 0.

Термин «уровень» в данном случае обозначает несколько энергетических уровней иона. На рабочем переходе 4p  4s излучаются 10 линий, длины волн которых указаны на рисунке. Наиболее интенсивна голубая линия с длиной волны 4880 Å с относительной интенсивностью 45% и зеленая линия 5145 Å (35%). Инверсная населенность возникает за счет того, что в газовом разряде время релаксации нижних лазерных уровней значительно меньше времени релаксации верхних уровней.