1.8. Лазеры на самоограниченных переходах

Лазерами на самоограниченных переходах называются системы, инверсная заселенность которых исчезает в результате появления генерации. Такие лазеры могут работать только в импульсно-периодическом режиме. Наиболее типичным представителем этого класса являются газоразрядные лазеры на парах металлов. Генерация в них осуществляется на переходах между электронными уровнями. На рис. 38 изображена схема уровней атома меди — одного из наиболее перспективных рабочих веществ.

До начала разряда практически все атомы находятся в основном состоянии. Заселение электронных уровней осуществляется при протекании импульсного разряда. Максимальная скорость возбуждения имеет место, как правило, для первого резонансного уровня и существенно превышает скорость возбуждения других уровней, в том числе и метастабильных. Поэтому в первые моменты разряда, когда основную роль играют процессы возбуждения с основного состояния, между резонансным и метастабильным уровнями образуется инверсная заселенность и может осуществляться генерация. Время ее существования определяется радиационным временем жизни верхнего лазерного уровня относительно перехода на нижний уровень и составляет 10 -10 с. В разряде с большой концентрацией электронов это время может стать еще короче из-за девозбуждения верхнего лазерного уровня при ударах второго рода. На практике длительность генерации в таких системах составляет 10 -10 с. Девозбуждение нижнего лазерного уровня осуществляется в промежутках между последующими импульсами, и скорость этого девозбуждения, определяемая процессами в объеме газа и на стенке, ограничивает частоту повторения импульсов излучения.

Оптимальное давление паров металлов составляет обычно ~0,1-1 торр, что достигается лишь при высоких температурах рабочего вещества ~(1 — 2) 1000К .

Характерной особенностью лазеров на парах металлов является высокий коэффициент

усиления активной среды. В медных лазерах он достигает ~100 см и поэтому генерация в них при достаточной длине может возникать даже в отсутствие зеркал резонатора. Большой коэффициент усиления и короткие импульсные излучения позволяют получать достаточно высокие импульсные и средние мощности излучения при малых габаритах лазеров.

Характеристики некоторых импульсных лазеров на самоограниченных переходах металлов представлены в табл. 4. Наблюдаемое большое различие между обусловлено сложностями создания импульсов тока накачки с длительностями порядка длительности генерации. Схема устройства лазеров на парах металла практически не отличается от других лазеров с

газоразрядными трубками, однако, сама конструкция существенно усложняется из-за необходимости поддержания рабочего вещества при высокой температуре. Это обстоятельство приводит к созданию технологически сложных металлокерамических конструкций.

Один из способов устранения конструктивных и эксплуатационных недостатков лазеров на парах металлов заключается в использовании для получения рабочих атомов не самих металлов, а их молекулярных соединений с иодом, бромом и т. д. Так, например, использование разряда в галогенидах меди позволило получить хорошие характеристики лазера на парах меди при температуре ~800 К вместо 1800 К для металлической меди.

Лазеры на парах металлов в последнее время привлекают пристальное внимание специалистов в самых различных областях лазерной технологии. Благодаря возможности хорошей фокусировки и видимому диапазону спектра излучения медный лазер можно с успехом использовать для скрайбирования и резки тонколистовых материалов. Особый интерес он вызывает как источник накачки перестраиваемых лазеров на красителях, используемых в селективной технологии. Вместе с лазерами на парах золота медный лазер находит применение в медицине.

Генерация на самоограниченных переходах может осуществляться не только в атомах металлов, но и в молекулах некоторых газов, например N , Н . Наибольший интерес представляет азотный газоразрядный лазер. Благодаря излучению в ультрафиолетовой области спектра этот лазер находит применение при изучении и проведении различных селективных процессов, а также для накачки лазеров на красителях.