Атомарные лазеры (Не-Ne-лазер)

Активной частицей в этом, наиболее распространенном классе газовых лазеров является нейтральный атом, инверсная заселенность в котором создается между двумя, как правило, достаточно высоко расположенными электронными уровнями. Наиболее яркий

едставитель этого класса Не -Ne-лазер, предложенный в 1961 г. А. Джаваном, явился первым газовым лазером. Несмотря на то, что в настоящее время описаны десятки газовых лазеров, он остается наиболее простым, доступным и распространенным в практической деятельности лазерным устройством.

Рабочей частицей в Не Ne-лазере является атом неона (строго говоря, более правильно назвать его неоновым лазером). Атом гелия играет вспомогательную роль, обеспечивая эффективное заселение верхнего уровня и возможность генерации в непрерывном режиме. Принцип работы Не-Ne-лазера иллюстрируется упрощенной схемой уровней Не и Ne

(рис. 36). Так же как и в случае СО2-лазера, в основе создания инверсной заселенности уровней атома Ne лежит высокая эффективность резонансных процессов передачи возбуждения в результате неупругих столкновений частиц между собой. В Не -Ne-лазере верхние лазерные уровни Ne Зs и 2s близки к метастабильным уровням Не 2 S и 2 S (дефицит энергии равен 300 см , что соответствует поступательной энергии ~ 3(2 М Т при температуре 300 К). Эти метастабильные уровни Не весьма эффективно заселяются электронным ударом в процессе

(1.46)

а затем передают свою энергию атомам Ne в процессе

He(2 S ,2 S )+Ne He( S )+Ne(3s ,2s ) (1.47)

В атоме Ne р-состояния имеют более короткое время жизни относительно спонтанных переходов на уровень 1S, чем s-состояние. Поэтому между s- и р-состояниями может существовать инверсная заселенность, приводящая к возникновению генерации с длинами волн 0,63, 1,15 и 3,39 мкм.

Поддержанию генерации на указанных переходах может существенно мешать высокая заселенность метастабильного уровня Ne — 1s, приводящего к заселению нижнего лазерного уровня 2р электронным ударом

Ne(ls)+ е Ne(2p )+ е

			кПа мм		10:1
3s	3.39	5:1	0.4-0.6	0,1	0.3
3s	0.63	5:1	0.4-0.6	0,05	0.1
2s	1.15	10:1	1.2-2	0,03	0.05

Эффективное расселение уровня 1s происходит при столкновении атома Ne со стенками разрядной трубки. Именно необходимость расселения уровня 1s и уменьшения вероятности процесса (1.48) ограничивает сверху значение произведения давления рабочей смеси р и диаметра разрядной трубки D , на уровне pD =5 — 15торр мм, а также ток разряда на уровне 25-50мА. Оптимальные для генерации различных лазерных переходов составы смесей, параметров pD а также типичные значения коэффициентов усиления среды, удельных съемов излучения и электрооптического КПД приведены в табл. 3. В тех случаях, когда необходимо предусмотреть возможность переключения длин волн генерации одного и того же лазера, параметры его газоразрядной трубки выбирают в диапазоне D ~ 5 — 10 мм, р : p = 5:15, р=0,1-0,3 кПа, а резонатор снабжают сменными зеркалами, рассчитанными на эффективное отражение излучения с нужной длиной волны.

Как видно из табл. 3, Не Ne-лазеры не отличаются высокой мощностью излучения (типичный диапазон — десятки мВт) и имеют весьма низкий КПД (~0,1%). Это обстоятельство объясняется низким значением квантового КПД ( 5%), а также упомянутыми выше ограничениями на диаметр разрядной трубки, давление рабочей смеси и ток разряда.

Низкие уровни мощности излучения позволили упростить и сделать максимально надежной конструкцию Не -Ne-лазера. Аналогично СО2-лазеру, она состоит из сменной газоразрядной трубки с наклоненными под углом Брюстера торцевыми пластинками и впаянными электродами и резонатора, состоящего из глухого и выходного зеркал. При необходимости изменения длины излучения выходное зеркало делают сменным.

Несмотря на низкие энергетические характеристики, не позволяющие использовать He- Ne-лазер в термической и селективной технологии, он является самым распространенным газовым лазером. Причина такой популярности обусловлена прежде всего его уникальными спектральными характеристиками. Благодаря низкому давлению газа, ширина линии излучения Не-Ne-лазера определяется эффектом Доплера и составляет ~10 Гц. При 9 характерных длинах лазера (~10 см) расстояние между собственными частотами резонатора составит также ~10 Гц. Поэтому Не Ne-лазер позволяет осуществлять одночастотную 9 генерацию на одной продольной моде и обладает исключительно высокой монохроматичностью и стабильностью излучения ( ). Эти качества, а также возможность генерации в видимом диапазоне длин волн делают Не-Хе-лазер незаменимым элементом во многих оптических устройствах, предназначенных для измерения расстояний, контроля размеров, лазерной связи и научных исследований. Очень часто Не -Ne-лазер используется в качестве вспомогательного оборудования для юстировки и визуализации положения луча в других лазерных системах. Большой интерес вызывают появившиеся в последнее время сведения о возможности эффективного использования Не-Ne-лазеров в медицине.

Среди других лазеров на нейтральных атомах можно назвать Не — Хе-лазер, излучение которого лежит в ближнем ИК-диапазоне (3,5 мкм) и имеет мощность ~10 мВт.

Ионные лазеры (Ar-лазер)

Получение генерации возможно не только при переходах между уровнями нейтральных атомов, но и ионов. В настоящее время получена генерация на переходах между уровнями ионов более 30 химических элементов. Наибольшее распространение среди ионных лазеров получил аргоновый лазер, использующий переходы между электронными состояниями иона Ar+, отвечающие видимой области спектра ( = 0,455 — 0,515 мкм).

Полное число уровней и процессов, участвующих в создании инверсной заселенности в ионе Ar+, весьма велико. Поэтому рассмотрим принцип работы аргонового лазера с помощью упрощенной схемы (рис. 37), уровни Зp и Зр 4s которой включают в себя все уровни конфигураций 4р и 4s. Возбуждение верхних лазерных уровней Аr+ происходит в газовом разряде ступенчато в результате двух столкновений атомов с электронами. Первое столкновение ионизирует атом, второе — возбуждает его:

Аг + е Аг (Зр ) +2е, (1.49)

Аr (Зр ) + е Аг (3p 4p)+е,

 

 

Радиационное время жизни верхних лазерных уровней (~10 с) существенно больше, чем нижних (~10 с). Именно это обстоятельство и позволяет создать стационарную инверсию между целым рядом уровней указанных конфигураций.

Образование возбужденных ионов происходит при столкновении электронов с ионами в основном состоянии. Поэтому плотность частиц на верхнем лазерном уровне

N = k n n =z; = k n ~j (1.50)

где k — константа возбуждения; , — радиационное время жизни верхнего лазерного уровня. Вблизи порога мощность генерации W~K ~N ~j . Точный расчет с учетом конкретных констант процессов дает следующую взаимосвязь удельной объемной мощности излучения W/V (Вт/см ) с плотностью тока j(А/см ):

W/V=10 j (1.51)

Такой характер зависимости мощности излучения от тока имеет место лишь в случае отсутствия полной ионизации газа. При оптимальных значениях давления газа 0,5 торр и диаметрах разрядных трубок 0,1-1 см величина W/V может достигать значения 1-10 Втlсм . Хотя в литературе описаны образцы с мощностью излучения до 150Вт, мощность промышленных Ar-лазеров, как правило, не превьппает десятков Вт. При квантовом КПД 7% полный КПД Ar-лазеров не превышает обычно 0,1%.

Как видно из рис. 37, высокие удельные параметры Ar-лазера возможны лишь при высоких плотностях токов, т. е. при использовании дуговых разрядов. Это обстоятельство сказывается на конструкции ионных лазеров. Для обеспечения однородного сильноточного разряда разрядную трубку приходится делать в виде достаточного тонкого капилляра. Иногда для достижения максимальной концентрации заряженных частиц разрядный капилляр помещают в продольное магнитное поле. Ряд проблем возникает в Ar-лазерах из-за эффекта переноса ионов Ar от анода к катоду. В результате этого вдоль разрядной трубки образуются большие градиенты давления и для ликвидации их приэлектродные области разряда приходится соединять длинной обводной трубкой, по которой газ возвращается обратно в прианодную зону. Однако основная проблема создания мощных Ar-лазеров заключается в преодолении высоких тепловых нагрузок. Для получения излучения мощностью 10 Вт необходимо подвести к трубке 10 кВт электрической энергии. Температура ионов в разряде составляет при этом 3000 К. Это приводит к серьезному усложнению конструкции и сокращению ресурсных характеристик ионных лазеров.

Несмотря на ограниченную мощность, излучение Ar-лазера можно сфокусировать в пятно с плотностью мощности Вт/см . Это позволяет с успехом использовать их в промышленности, в частности для скрайбирования тонких пленок в микросхемах. Широкое применение Ar-лазер находит также в медицине и научных исследованиях.

Среди других наиболее интересных для практических целей ионных лазеров необходимо назвать криптоновый лазер, излучающий мощность ~100мВт в красном и желтом участках видимого спектра, а также гелий-кадмиевый лазер, линии излучения которого 0,417 и 0,325 мкм лежат в видимой и ультрафиолетовой частях спектра. Эти лазеры в основном представляют интерес для научных исследований, а также для биологии и медицины.