РАБОТА 17. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Ознакомиться с принципом действия и устройством гелий-неоново­го лазера.

2. Ознакомиться с интерференцией, дифракцией и поляризацией лазерного излучения.

3. Определить периоды двумерной структуры.

4. Определить угол расходимости лазерного луча.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Лазер принципиально новый источник света. От из­­­­­­лучения обыч­ных источников (лампы накаливания, лампы дневного света и т.д.) излучение лазера отличается тем, что оно близко к монохроматичес­кому, обладает исключительно высокой временной и пространственной когерентностью, очень малой расходимостью, а, следовательно, ис­ключительно высокой плотностью электромагнитной энергии. Кроме того луч лазера поляризован.

Принцип действия лазера основан на трех физическихявлениях: вынужденное излучение, инверсия населенности и положительная об­ратная связь.

Поведение атомов (молекул) подчиняется ­законам кван­­товой механики, согласно которым значения физических величин (например, энергии Е) могут принимать лишь определенные (дискретные) значе­ния. Для энергии эти значения принято графически изображать в ви­де так называемых уровней энергии (рис.1).

Самый нижний энергетический уровень называется основным, так как отвечает наиболееустойчивому состоянию частицы. Остальные уровни с более высокими значениями энергии называются возбужденными.

Процесс, сопровождающийся увеличением энергии атома, изображается как переход на более высокий энергетический уровень, про­цесс с уменьшением энергии - как переход на более низкий уровень.

Рассмотрим взаимодействие электромагнитного излучения (све­та) с атомами.

Первый вид взаимодействия: атом, находясь в основном состоянии, поглощает фотон, энергия которого достаточна для перехода в одно из возбужденных состояний (рис. 1а).

и второй : атом, находящийся в возбужденном состоянии,

спонтанно (самопроизвольно) переходит в более низкое энерге­тическое состояние: этот переход сопровождается излучением фотона (рис. 1в).

При спонтанных переходах различные атомы излучают неод­новременно и независимо, поэтому, фазы излучаемых фотонов не связаны между собой, направление излучения, его поляризация носят случайный характер, а частота излучения колеблется в некоторых пределах, определяемых шириной энергетических уровней Е 1 и Е 2 .

Спонтанное излучение ненаправленное, неполяризованное, немонохроматичное.

Существует, однако, третий вид взаимодействия , который называется вынужденным излучением. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии (рис.2), падает излучение с частотой ν соответствующей переходу атома в более низкое состояние (1), то атом переходит в него вынужденно под действием этого фотона, излучая при этом свой фотон, который называется вынужденным излучением.

Исключительно важно отметить характерное свойство вынужденного излучения: излученная волна (фотон) имеет точно то же направление и фазу, что и вынуждающая. Кроме этого эти две волны имеют одинаковые частоты и состояния поляризации.

При переходах 1→2 (рис. 1а) внешнее излучение поглощается, а при вынужденных переходах 2→1 (рис.2) наоборот, усиливается, т.к. к внешнему фотону добавляется фотон, испущенный атомом. Вероятности переходов 1→2 и 2→1одинаковы. Если большинство атомов находится в возбужденном состоянии, то тогда чаще будут происходить переходы 2→1. Другими словами, для усиления внешнего излучения необходимо, чтобы населенность уровня 2 была выше населенности уровня 1 или необходи­мо создать инверсию заселенности уровней.

При температуре Т число атомов N в состоянии с энергией Е определяется формулой Больцмана

N ~ exp(-E/kT)

где k – постоянная Больцмана.

Отсюда видно, что чем больше энергия состояния Е, тем меньше число N атомов находится в этом состоянии. Значит, в равновесном состоянии больше населены нижние уровни, и поглощение света преобладает над усилением.

Инверсия заселенности уровней отвечает неравновесному состоянию атомов среды.

Создать такое состояние можно искусственно, подводя
энергию к рабочему веществу, за счет которой атомы переводятся на верхний энергетический уровень. Такой процесс назы­вается накачкой. В разных типов лазеров накачка осуществля­ется по-разному: в твердотельных лазерах осуществляется за счет поглощения света от дополнительных ламп, в газовых - за счет передачи атомам газа энергии ускоренных элек­трическим полем электронов при их столкновениях.

Среда, в которой осуществлена инверсия заселенности, называется активной средой.

Слово "лазер" составлено из начальных букв английской фразы: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает: "усиление света с помощью вынуж­денного излучениям". Лазеры также называют оптическими кван­товыми генераторами (ОКГ).

Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер.

Основным элементом гелий-неонового лазера непрерывного

действия является трубка 2 (рис.3), наполненная смесью гелия и неона с парциальными давлениями порядка 1 и 0,1 мм.рт.ст., соответственно. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными пластинами 3, установленными под углом Брюстера к ее оси.

Накачка в газовом лазере осуществляется за счет энергии источника питания, поддерживающего тлеющий разряд между катодом 4 и анодом 5. Разряд в трубке возникает при 1,5-2,0 кВ. Разрядный ток трубки составляет десятки миллиам­пер.

Рабочими атомами гелий-неонового лазера являются атомы

неона, излучающие красные фотоны (λ =632,8 нм), На рис. 4 приведена упрощенная схема уровней атомов неона и гелия.

В чистом неоне заселение состояний 3S при накачке малоэффективно, поскольку этот уровень имеет малое время жизни, и атом неона спонтанно переходит в состояние 2Р.

Ситуация меняется, когда к неону добавляют гелий. Энер­гия уровня 2S гелия равна энергии уровня 3S неона. Уровень же энергии 2S гелия является долгоживущим и эффективно засе­ляется при накачке. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона энергия передается атомам неона. В результате создается инверсная заселенность рабочего уровня 3S неона.

После этого в активной среде происходят многочисленные
акты спонтанных переходов 3S→2P, появляющиеся фотоны (λ =632,8 нм) приводят к вынужденным переходам. Те фотоны, которые движутся под некоторым углом к оси трубки, не участвуют в получении луча лазера. Формирование луча лазера идет только за счет фотонов, испускаемых вдоль оси трубки.

Усиление луча идет значи­тельно быстрее, если свет возвращать обратно в активную сре­ду, где он снова будет усиливаться за счет вынужденных пере­ходов. О такой ситуации говорят как об обратной связи. Для создания положительной обратной связи в лазерах используют оптический резонатор, который представляет собой два зеркала 1 (рис.3).

Нарастание интенсивности вынужденного излучения происхо­дит лавинообразно, и она становится существенно больше интен­сивности спонтанного излучения, которое в дальнейшем можно не учитывать.

Генерация луча лазера начинается в тот момент, когда увеличение энергии излучения за счет вынужденных переходов превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Для вывода луча из резонатора одно из зеркал 1 делается полупрозрачным. Поверхности обоих зеркал покрыты пленками, толщина которых подбирается таким образом, чтобы отражались волны нужной длины волны, а все другие гасились.

Прозрачность зеркал резонатора обычно меньше 1%.

Характеристики лазерного излучения.

Похожая информация.

Устройство гелий-неонового лазера

Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000÷5000 вольт (в зависимости от длины трубки), расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал - полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства.

Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора - от 15 см до 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.

Принцип действия

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре - электрический разряд.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гелий-неоновый лазер" в других словарях:

гелий-неоновый лазер - helio neono lazeris statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. helium neon laser vok. Helium Neon Laser, m rus. гелий неоновый лазер, m pranc. laser à mélange d hélium et néon, m; laser hélium néon, m … Radioelektronikos terminų žodynas

Лазер с ядерной накачкой это лазерное устройство, возбуждение активной среды которого происходит за счет ядерного излучения (гамма кванты, ядерные частицы, продукты ядерных реакций). Длина волны излучения такого устройства может быть от… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Лазер (значения). Лазер (лаборатория NASA) … Википедия

Квантовый генератор, источник мощного оптического излучения (laser аббревиатура выражения light amplification by stimulated emission of radiation усиление света вынужденным излучением). Принцип действия лазера тот же, что и у ранее созданного… … Энциклопедия Кольера

Источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении (См. Вынужденное излучение) атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов… …

Лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в Оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным. Испущенная в каком либо месте трубки … Большая советская энциклопедия

Оптический квант. генератор с газообразной активной средой. Газ, в к ром за счёт энергии внеш. источника (накачки) создаётся состояние с инверсией населённостей двух уровней энергии (верхний и нижний лазерные уровни), помещается в оптический… … Физическая энциклопедия

Лазер (лаборатория НАСА) Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «Усиление света с помощью вынужденного излучения») устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) … Википедия

Газовые гелий-неоновые лазеры (He-Ne лазеры) производства немецкой компании LSS имеют надежную конструкцию, хорошее качество луча и долгий срок службы - до 20 000 часов. Серия гелий-неоновых лазеров представлена большим разнообразием моделей лазеров, одномодовых и мультимодовых, с выходной мощностью от 0,5 до 35 мВт, излучающих в спектральном диапазоне красного, зеленого и желтого. Есть также лазерные трубки с окном Брюстера для образовательных и научных целей.

Все модели комплектуются блоком питания. Газовые ионные аргоновые лазеры серии LGK удовлетворяют внушительному перечню мировых стандартов и имеют сертификаты CDRH, IEC, CSA, CE, TUV, UL. Компания LSS осуществляет эффективную поддержку для работающих по всему миру лазеров собственного производства, предоставляя своим клиентам удобный и быстрый сервис по замене лазерных трубок. Помимо серийных моделей, компания выпускает лазерные системы под индивидуальный заказ.

Гелий-неоновый лазер предназначен для широкого круга приложений таких областей, как сканирующая микроскопия, спектроскопия, метрология, промышленные измерения, позиционирование, выравнивание, направленных, тестирования, проверки кода, научные, фундаментальные и медицинские исследования, а также для образовательных целей.

Технические характеристики лазерных модулей

В таблицах ниже приведены ключевые характеристики лазеров. Для всех пунктов ниже перечисленные характеристики представляют собой общую производительность стандартных моделей. Индивидуальные характеристики могут быть оптимизированы для конкретных приложений. Пожалуйста, свяжитесь с консультантом нашей компании, если у Вас есть особые пожелания.

Технические характеристики лазерных трубок

Технические характеристики блока питания

Все модели газовых ионных аргоновых лазеров серии LGK комплектуются блоком питания производства LSS.

Лазеры

Оптическими квантовыми генераторами, или лазерами, называют устройства, создающие когерентные электромагнитные волны в оптическом диапазоне на основе вынужденного излучения. Слово «лазер» образовано из первых букв английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света вынужденным излучением.

Любой лазер содержит 3 компонента:

1) рабочее тело,

2) система накачки,

3) оптический резонатор. Рассмотрим назначение каждого из них.

1. Рабочее тело – некоторая среда, которая внешним воздействием переводится в активное состояние. В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В качестве активной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечивать инверсную населенность. (В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО 2 -лазера). В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

Активные среды некоторых газовых лазеров составляют на основе эксимеров. Эксимеры – вещества, состоящие из двухатомных молекул и существующие только в электронно-возбужденном состоянии. Переход из возбужденного состояния в невозбужденное (снятие возбуждения) сопровождается лазерным излучением. (Наименование данного лазера происходит от двух слов Excited dimer – возбужденный димер).

2. Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (создание инверсной населенности). Накачка может быть непрерывной или импульсной. Используют следующие методы накачки

«Оптическая» накачка – возбуждение интенсивным светом. Для этого используются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры.

Возбуждение газовой среды электрическим разрядом. Ионы и электроны, которые в небольшом количестве всегда присутствуют в газе, ускоряются сильным электрическим полем. Быстрые электроны сталкиваются с атомами и передают им свою кинетическую энергию. Эта энергия и используется для заселения верхнего энергетического уровня.

Иногда используется электрический ток (полупроводниковые лазеры) или химические реакции (химические лазеры).

3. Оптический резонатор – это устройство, обеспечивающее положительную обратную связь и формирующее когерентный луч с очень малой степенью расходимости. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой два плоскопараллельных зеркала (обращенными друг к другу) установленные на одной оси, между которыми помещается рабочее тело. Одно из зеркал полупрозрачно. Ось резонатора указывает направление формирования луча.

Процесс генерации излучения. Рассмотрим, как происходит процесс генерации. Система накачки создает в рабочем теле инверсную населенность. После этого начинается процесс спонтанного возвращения частиц в невозбужденное состояние. При этом частицы испускают фотоны. Те из них, которые испущены под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Те фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. За счет этого возрастает число их взаимодействий с возбужденными атомами и происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического, когерентного света. Эффективность такого преобразования, то есть КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПДсоставляет 0,1-1 %.

Рубиновый лазер. Рассмотрим создание инверсной населенности на примере трехуровневой системы, используемой в рубиновых лазерах.

Рубин – это кристаллическая окись алюминия AI 2 O 3 , являющаяся прозрачным и бесцветным веществом. В это вещество (в матрицу) внедрены атомы хрома в количестве около 0,05 %. Именно хром придает рубину розовый цвет и именно он обеспечивает лазерную генерацию.

Из всего множества энергетических уровней атома хрома в (в рубиновом лазере используются три: основной, первый (метастабильный с время жизни около 3 мс) и второй уровень с малым временем жизни (рис.).

Для создания инверсной населенности рубин облучают мощным импульсом света. При этом поглощаются фотоны с частотой n 02 , соответствующей переходу частиц – атомов хрома – между уровнями 0 и 2. Фотоны внешнего облучения с частотой n 02 не могут создать инверсную населенность между уровнями 2 и 0, так как при выравнивании их населенностей вероятность поглощения фотона сравняется с вероятностью его вынужденного испускания. Для создания инверсной населенности используют метастабильный уровень 1. Попавшие на уровень 2 частицы быстро, спонтанно и безызлучательно переходят на метастабильный уровень 1.

Фотоны внешнего облучения n 02 не могут вызвать индуцированное излучение с уровня 1, так как для этого требуются фотоны с другой частотой (n 01)- Поэтому на уровне 1 постепенно накапливаются частицы и в конце концов их количество превысит количество частиц на нулевом уровне. Таким образом, между уровнями 0 и 1 будет создана инверсная населенность. В обычных условиях переход с уровня 1 на уровень 0 происходит спонтанно и сопровождается излучением с длиной волны 694,3 нм.

Гелий-неоновый лазер. Широкое распространение в реабилитационной медицине получил гелий-неоновый лазер. В нем используется четырехуровневая система создания инверсной населенности. Активной средой в данном случае является смесь газов гелия и неона в соотношении 10:1, содержащаяся в стеклянной трубке под низким давлением. Парциальные давления гелия и неона равны, соответственно, 1 мм рт. ст. и 0,1 мм рт. ст. Собственно лазерный переход происходит в неоне, то есть атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона. На рис. показаны энергетические уровни атомов гелия и неона.

Подача энергии при возбуждении (накачка) осуществляется через электрический разряд. При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 0 на возбужденный уровень 2. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало, и атомы переходят на уровни 1 или 0. Для создания инверсной населенности атомов неона, то есть для увеличения населенности уровня 2 и уменьшения населенности уровня 1, используют вспомогательные атомы гелия.

Первый возбужденный уровень атома гелия совпадает с уровнем 2 для атома неона. Поэтому при соударении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходят передача энергии последним и перевод их в возбужденное состояние 2. Таким образом, атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 2 атомов неона. Разгрузке уровня 1 у атомов неона способствуют их столкновения со стенками трубки, в результате которых они отдают энергию и переходят с уровня 1 на уровень 0. Наиболее эффективно этот механизм разгрузки действует при диаметре трубки около 7 мм. В трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 2 на уровень 1 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденным атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры с длиной волны 632,8 нм, мощностью 100 мВт.

Особенности газообразной активной среды. Основные методы возбуждения. Электрический разряд, газодинамика, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка. Резонансная передача энергии возбуждения при столкновениях. Гелий-неоновый лазер. Схема уровней. Передача энергии возбуждения. Конкуренция линий излучения на волнах 3,39 и 0,63 мкм. Параметры разряда, параметры лазера.

Рассмотрение методов создания инверсии мы будем проводить на примерах лазеров, представляющих наибольший интерес.

Начнем с газовых лазеров. Газообразность их активной среды приводит к ряду замечательных следствий. Прежде всего, только газовые среды могут быть прозрачными в широком спектральном интервале от вакуумной УФ области спектра до волн далекого ИК, по существу СВЧ, диапазона. В результате газовые лазеры работают в громадном диапазоне длин волн, соответствующем изменению частоты более чем на три порядка.

Далее. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. Это позволяет легче достигать дифракционного предела расходимости лазерного излучения.

При малой плотности для газов характерно доплеровское уширение спектральных линий, величина которого мала по сравнению с шириной линии люминесценции в конденсированных средах. Это позволяет легче достигать высокой монохроматичности излучения газовых лазеров. В результате в излучении газовых лазеров наиболее отчетливо проявляются характерные свойства лазерного излучения - высокая монохроматичность и направленность.

Составляющие газ частицы взаимодействуют друг с другом в процессе газокинетических столкновений. Это взаимодействие относительно слабо; поэтому оно практически не влияет на расположение урдвней энергии частиц и выражается только в уширении соответствующих спектральных линий. При низких давлениях столкновительное уширение мало и не превышает доплеровскую

ширину. Вместе с тем увеличение давления приводит к росту столкновительной ширины (см. лекцию вторую), и мы получаем возможность управлять шириной линии усиления активной среды лазера, существующую только в случае газовых лазеров.

Как мы знаем, для выполнения условий самовозбуждения усиление в активной среде за один проход резонатора лазера должно превышать потери. В газах отсутствие нерезонансных потерь энергии непосредственно в активной среде облегчает выполнение этого условия. Технически трудно изготовить зеркала с потерями, заметно меньшими 1%. Следовательно, усиление за один проход должно превышать 1%. Относительная легкость выполнения такого требования в газах, например путем увеличения длины активной среды, объясняет наличие большого количества газовых лазеров в широком диапазоне длин волн. Вместе с тем малая плотность газов препятствует получению такой высокой плотности возбужденных частиц, которая характерна для твердых тел. Поэтому удельный энергосъем у газовых лазеров существенно ниже, чем у лазеров на конденсированных средах.

Специфика газов проявляется и в многообразии различных физических процессов, применяемых для создания инверсии населенностей. К их числу относятся возбуждение при столкновениях в электрическом разряде, возбуждение в газодинамических процессах, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка (главным образом лазерным излучением), электронно-лучевое возбуждение.

В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населенностей создается в электрическом разряде. Такие газовые лазеры называются газоразрядными. Газоразрядный метод создания активной среды является наиболее общим методом получения инверсии в газовых лазерах, так как электроны разряда легко возбуждают частицы газа, переводя их в процессах неупругих столкновений на более высокие уровни энергии. Обычно наблюдаемое свечение газового разряда (газосветные лампы) объясняется спонтанными переходами с этих уровней энергии вниз. Если скорости процессов распада возбужденных состояний благоприятны накоплению частиц на каком-то верхнем уровне энергии и опустошению какого-то нижнего уровня энергии, то между этими уровнями создается инверсия населенностей. Легко возбуждая газ в широком интервале энергий, электроны газового разряда создают инверсию населенностей уровней энергии нейтральных атомов, молекул, ионов.

Газоразрядный метод применим для возбуждения лазеров как непрерывного, так и импульсного режимов работы. Импульсное возбуждение используется большей частью в случае неблагоприятной для непрерывного режима динамики установления населенностей на верхнем и нижнем уровнях энергии, а также для того, чтобы получать высокую мощность излучения, недостижимую в непрерывном режиме.

Электрический разряд в газе может быть самостоятельным и несамостоятельным. В последнем случае проводимость газа обеспечивается внешним ионизующим агентом, а процесс возбуждения осуществляется независимо от условий пробоя газа при оптимальном значении напряженности электрического поля в разрядном промежутке. В газовой среде, ионизованной независимо внешним воздействием, это поле и вызванный им ток определяют энергию возбуждения (энерговклад), вводимую в разряд.

Характерной особенностью газов является возможность создания таких потоков газовых масс, в которых резко меняются термодинамические параметры газа. Так, если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через некоторое сопло, то температура газа резко падает. Этой новой, существенно более низкой температуре соответствует новое равновесное распределение населенностей по уровням энергии частиц газа. При внезапном снижении температуры газа на какое-то время нарушается равновесность этого распределения. Тогда, если релаксация К новому термодинамическому равновесию для нижнего уровня вдет быстрее, чем для верхнего, газодинамическое истечение сопровождается инверсией населенностей, существующей в некоторой протяженной области вниз по течению газа. Размер этой области определяется скоростью газодинамического потока и временем релаксации инверсной населенности в нем.

Таков газодинамический метод получения инверсии, в котором тепловая энергия нагретого газа непосредственно преобразуется в энергию монохроматического электромагнитного излучения. Важной характерной особенностью этого метода является возможность организации газодинамических потоков больших масс активного вещества и тем самым получения высокой выходной мощности (см. формулу (6.57)).

При химическом возбуждении инверсия паселенностей создается в результате химических реакций, при которых образуются возбужденные атомы, молекулы, радикалы. Газовая среда удобна для химического возбуждения тем, что реагенты легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. В газофазных химических реакциях неравновесное распределение химической энергии среди продуктов реакции проявляется наиболее сильно и сохраняется наиболее долго. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Привлечение цепных реакций приводит к тому, что падает относительная доля энергоза-. трат на инициирование реакций, обеспечивающих получение инверсии. В результате потребление электроэнергии во время работы химического лазера может быть очень малым, что также является большим достоинством химического метода создания инверсии. Добавим к этому, что удаление продуктов реакции, т. е. работа в газовом потоке, может обеспечить непрерывный характер

работы химических лазеров. Возможно также сочетание химического и газодинамического методов возбуждения.

К химическим лазерам примыкают лазеры, инверсия населенностей в которых достигается с помощью реакций фотодиссоциации. Как правило, это - быстропротекающие реакции, инициируемые интенсивной импульсной световой вспышкой или взрывом. В результате диссоциации возникают возбужденные атомы или радикалы. Взрывной характер реакции обусловливает импульсный режим работы таких лазеров. В силу того, что при соответствующем инициировании фотодиссоциация может охватывать одновременно большой объем исходного газа, импульсная мощность и энергия излучения при фотодиссоциационном методе создания инверсии могут достигать значительных величин.

Своеобразный характер в случае газовых активных сред приобретает такой общий метод создания инверсии, как оптическая накачка. В силу малой плотности газов их резонансные линии поглощения узки. Поэтому оптическая накачка может быть эффективна, если источник накачки достаточно монохроматичен. Обычно используются лазерные источники. Специфика газов в случае оптической накачки проявляется еще и в том, что в силу их малой плотности глубина проникновения излучения накачки в газ может быть большой и тепловыделение при поглощении излучения - малым. Как правило, резонансная оптическая накачка газовых сред практически не приводит к нарушению их оптической однородности.

При электронно-лучевом возбуждении газовых сред происходит ионизация газа электронами высокой энергии (0,3-3 МэВ). При этом энергия быстрых электронов первичного пучка, общее число которых относительно невелико, каскадным образом преобразуется в энергию большого числа медленных электронов. Возбуждение верхних лазерных уровней осуществляется именно этими электронами низкой энергии (от единиц до десятков электронвольт). Так как длина пробега электронов большой энергии в газах достаточно велика, то электронно-лучевой способ возбуждения очень удобен для создания активной среды больших объемов при больших давлениях газов, причем газов любого состава.

Электронно-лучевое возбуждение является гибким и вместе с тем мощным методом, применимым практически всегда. Большое достоинство этого метода состоит также в возможности его сочетания с другими методами создания активной среды газовых лазеров

Прежде чем перейти к конкретному рассмотрению того, как все эти методы создания инверсии реализуются в тех или иных представляющих наибольший интерес газовых лазерных системах, целесообразно отметить два обстоятельства общего характера.

Во-первых, достижение инверсии в газовой среде сильно облегчается относительной медленностью релаксационных процессов

в газах. Как правило, соответствующие константы скорости хорошо известны или могут быть сравнительно легко изучены экспериментально. В коротковолновой области и для хорошо разрешенных переходов процессом, препятствующим получению и удержанию инверсии, является спонтанный распад верхнего уровня (см. лекцию вторую). Радиационные времена жизни атомов, молекул, ионов также либо хорошо известны, либо могут быть относительно хорошо известны. Значения этих времен, известные для свободных частиц, справедливы для газов.

Во-вторых, для газов характерна передача энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта при неупругих столкновениях между ними. Такая передача тем более эффективна, чем более точно совпадают уровни энергии сталкивающихся частиц. Дело в том, что всегда существующее различие в значениях энергии тех состояний, обмен населенностями которых происходит при столкновении, приводит к тому, что передача возбуждения сопровождается выделением (или поглощением) кинетической энергии

Здесь N - плотность частиц доноров энергии возбуясдения, n - плотность акцепторов, звездочка обозначает воебуждение соответствующей частицы. Символ К, стоящий над стрелочками в уравнении (13.1), обозначает константу скорости этой реакции. Кинетическая энергия может быть получена из резервуара тепловой энергии поступательного движения частиц газа (или передана в этот резервуар). Для того чтобы такой процесс был эффективным, передаваемая в резервуар (получаемая из резервуара) в одном столкновении энергия не должна превышать среднюю энергию теплового движения одной частицы . Другими словами, дефицит энергии рассматриваемых состояний должен быть мал:

В этом случае происходит так называемая резонансная (квазирезонансная) передача энергии возбуждения.

В общих чертах процесс передачи энергии (13.1) описывается скоростным уравнением вида

где т - некоторое эффективное время релаксации, а константа скорости передачи энергии возбуждения, как обычно,

Здесь v - скорость сталкивающихся частиц, а сечение процесса передачи о приближается к газокинетическому сечению , при выполнении условия (13.2). В правой части уравнения

(13.3) учтен обратный процесс . Предполагая для выполнение закона сохранения числа частиц:

из (13.3) легко получить, что в стационарных условиях

При условии

достигается уровень возбуждения акцепторов, максимально возможный при заданном уровне возбуждения доноров.

Итак, процесс столкновительной передачи энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта, характерный для газовых сред, эффективен при выполнении условия (13.2). Этот процесс эффективен в создании активной среды лазера на основе частиц типа n путем возбуждения частиц типа N при выполнении условия (13.7).

Рис. 13.1. Передача энергии возбуждения по схеме прямая стрелка вцерх - возбуждение частиц N, прямая стрелка вниз - излучение частицами волнистая стрелка вниз - релаксация нижнего лазерного уровня частиц n. Показано отсутствие собственной релаксации частиц

Передача энергии возбуждения существенно расширяет возможности создания газовых лазеров, позволяя разделить в активной среде функции накопления энергии возбуждения и последующего излучения на желаемой длине волны. Процесс происходит в два этапа. Сначала тем или иным способом возбуждаются частицы вспомогательного газа - носителя избыточной энергии и выступающего донором энергии возбуждения. Затем в процессах иеупругих столкновений энергия передается от газа-носителя частицам рабочего газа - акцептора энергии возбуждения, населяя таким образом их верхний лазерный уровень. Верхний; уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни, чтобы хорошо накапливать энергию. Схематически рассматриваемый процесс показан на рис. 13.1.

Рассматриваемый метод нашел широкое применение, так как практически при всех методах возбуждения (электроразрядном,

газодинамическом, химическом и т. д.) часто оказывается гораздо более выгодным непосредственно вкладывать энергию возбуждения не в те частицы, излучение которых желательно, а в те, которые легко поглощают эту энергию, сами ее не излучают и охотно отдают свое возбуждение нужным частицам.

Перейдем теперь к непосредственному рассмотрению ряда газовых лазеров. Начнем с атомарных газовых систем, ярким представителем которых является гелий-неоновый лазер. Хорошо известно, что этот лазер был, в сущности, первым. Исходные расчеты и предложения относились к газовым лазерам, главным образом, вследствие уже обсуждавшейся нами большей степени понимания схем уровней энергии и условий возбуждения в газовой среде. Все же первым был создан рубиновый лазер в силу того, что этот монокристалл был тщательно изучен в радиоспектроскопии ЭПР и широко использовался в квантовой электронике СВЧ для создания парамагнитных квантовых усилителей (парамагнитных мазеров). Вскоре, в конце того же 1960 г., А. Джаван,

Рис. 13.2. Схема возбуждения неона и гелия в электрическом разряде (обозначения стрелок те же, что и на рис. 13.1). Показана возможность каскадного заселения уровней энергии неона.

У. Беннет и Д. Харриот создали гелий-неоновый лазер на волне 1,15 мкм. Наибольший интерес к газовым лазерам сформировался после открытия генерации гелий-неонового лазера на красной линии 632,8 нм практически в тех же условиях, что и в первом запуске на волне 1,15 мкм. Это прежде всего стимулировало интерес к лазерным применениям. Лазерный луч стал инструментом.

Технические усовершенствования привели к тому, что гелий-неоновый лазер перестал быть чудом лабораторной техники и экспериментального искусства и превратился в надежное устройство. Этот лазер хорошо известен, он оправдывает свою известность и заслуживает внимания.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. Упрощенная и вместе с тем в каком-то смысле обобщенная схема уровней неона приведена в правой части рис. 13.2. В электрическом разряде при столкновениях с электронами

возбуждаются уровни . Уровни метастабильны, а уровень по сравнению с ними является более короткоживущим. Поэтому, казалось бы, должна легко возникать инверсия населенностей уровней по отношению к . Этому, однако, мешает метастабильный уровень . В спектрах многих атомов, в том числе атомов инертных газов, имеется такой долгоживущнй метастабильный уровень. Заселяясь в столкновениях с электроном, этот уровень не дает опустошаться уровню , что препятствует получению инверсии.

В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа - донора энергии возбуждения. Этим газом служит гелий. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рис. 13.2) довольно точно совпадают с энергиями уровней неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию (13.7), можно добиться заселения одного или обоих уровней неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей этих уровней по отношению к уровню .

Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Подчеркнем, что нашедший широкое применение в квантовой электронике газовых лазеров метод передачи энергии от газа, непосредственно не работающего, но легко возбуждаемого, к газу, не накапливающему энергию возбуждения, но легко излучающему, впервые был реализован в гелий-неоновом лазере.

Рассмотрим теперь более подробно схему уровней нейтральных атомов гелия и неона (рис. 13.3).

Нижним из возбужденных состояний гелия соответствуют энергии 19,82 и 20,61 эВ. Оптические переходы из них в основное состояние запрещены в приближении -связи, действительной для гелия. Состояния и - это метастабильные состояния со временем жизни примерно . Поэтому они хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом.

Для неона действительна промеяуточная -связь. На рис. 13.3 состояния, относящиеся к одной конфигурации, показаны жирной линией с выделением рабочего подуровня. Для идентификации уровней применены обозначения Пашена, наиболее широко распространенные в существующей литературе. Уровни близки к метастабильный уровням гелия 250 и 2%, дефицит энергии примерно равен (Заметим, что при 300 К

.) Состояние имеет большое время жизни из-за резонансного пленения излучения в силу радиационной связи с основным состоянием.

В неоне s-состояния имеют большие времена жизни, чем р-состояния. Это, вообще говоря, позволяет получать инверсию на переходах Следует, однако, иметь в виду, что состояние неона хорошо населяется в разряде и при не слишком больших токах разряда возможно ступенчатое (каскадное) заселение нижних лазерных уровней при переходах из состояния

Рис. 13.3. Схема нижних возбужденных уровней энергии гелия и пеона: прямые стрелки вверх - возбуждение гелия, волнистые стрелки - передача энергии возбуждения от гелия к неону, наклонные прямые стрелки - излучение атомами неона. Каналы релаксации нижних лазерных уровней неона не показаны.

Введение в разряд относительно большого количества гелия, обеспечивающего внешний по отношению к неону интенсивный канал заселения состояний снимает ограничения на возможность получения инверсии в непрерывном режиме. Исторически первой была получена генерация на переходе . Основная мощность соответствует переходу . Затем была реализована инверсия переходов и .

Все три вида генерации происходят в примерно одинаковых условиях разряда и имеют одинаковые зависимости мощности генерации от параметров разряда. При этом особенно важна конкуренция генераций на волнах 3,39 и 0,63 мкм, которым соответствуют переходы с общим верхним уровнем. Поэтому генерация на одной из этих волн ослабляет генерацию на другой из них. Дело осложнено резким различием в коэффициентах усиления. Переходу соответствует усиление в и поэтому на нем легко достигается генерация в простых, например металлических, зеркалах. Переход гораздо

более капризен. Ему соответствует небольшое усиление в , что при прочих равных условиях никак не может конкурировать с гигантским усилением в . Поэтому для получения генерации в видимой области гелий-неоновый лазер снабжается многослойными диэлектрическими интерференционными зеркалами, обладающими высоким коэффициентом отражения только на требуемой длине волны. Переходу соответствует усиление генерация достигается. с помощью диэлектрических зеркал.

Гелий-неоновый лазер является газоразрядным лазером. Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде. Вообще, в лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизованная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет . Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительный столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа р на внутренний диаметр трубки D. При малых электронная температура велика, при больших - низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизованной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока. значение .

Для области 3,39 мкм (серия , самая сильная линия ) верхний лазерный уровень, как уже говорилось, совпадает с верхним уровнем красной линии генерации 0,63 мкм. Поэтому оптимальные условия разряда оказываются одинаковыми.

В весьма распространенных случаях, когда одна и та же отпаянная газоразрядная трубка используется в гелий-неоновом лазере со сменными зеркалами для работы в различных диапазонах длин волн, обычно выбираются некоторые компромиссные значения в довольно широком диапазоне параметров: диаметр газоразрядной трубки 5-10 мм, отношение парциальных давлений 5-15, общее давление 1 - 2 Торр, ток 25-50 мА.

Наличие оптимума по диаметру обусловлено конкуренцией двух факторов. Во-первых, при увеличении поперечного сечения активной среды лазера при прочих равных условиях происходит увеличения вероятности распада на стенке капилляра метастара капилляра газоразрядной трубки увеличивает коэффициент усиления пропорционально . Последнее происходит как из-за - увеличения вероятности распада на стенке капилляра метаста-бильного состояния неона так и из-за увеличения количества возбужденного гелия (и тем самым неона), а значит, и коэффициента усиления при сохранении постоянным произведения т. е. при выполнении условия подобия тлеющих разрядов при изменении диаметра газоразрядной трубки.

Наличие оптимальной плотности тока разряда обусловлено возникновением при больших токах каскадных процессов типа

приводящих к уменьшению инверсии (см. рис. 13.2 и 13.3). Процессы такого рода могут становиться существенными также при увеличении давления неона, что, в свою очередь, обусловливает наличие оптимума по давлению.

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни милливатт в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров при отсутствии ошибок в изготовлении ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений гелия и неона.

Остановимся теперь на вопросе конструирования резонатбров гелий-неонового лазера. Большая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро портятся в разряде. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка, снабженная окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, помещается внутрь резонатора. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ - упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал и облегчается их смена,

появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т. п.

В квантовой электронике важным является вопрос о ширине линии рабочего перехода (см. лекцию вторую). Для газовых лазеров существенны естественное, столкновительное и доплеровское уширения. В случае гелий-неонового лазера формула (2.8) (где под надо понимать - естественное время жизни р-состояния неона, а под - время т., относящееся к s-состояпию) дает значение естественной ширины линии МГц. Столкновительное уширение (формулы (2.31) и определяется давлением газа. Для атомов неона в предположении, что сечение соответствующего столкновительного процесса равно газокинетическому, при давлении порядка МГц. Доплеровская ширина линии (формулы (2.28) и определяется, в частности, длиной волны излучения. Для линии 0,63 мкм при 400 К эти формулы дают что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Из сказанного видно, что в случае гелий-неонового лазера основным механизмом, вызывающим уширение линии излучения, является эффект Доплера. Уширение это относительно невелико и при такой линии можно получить генерацию на одной продольной моде, т. е. одночастотную генерацию при хотя и малой, но физически вполне реализуемой длине резонатора 15 см. (формула (10.21)).

Гелий-неоновый лазер является наиболее представительным примером газовых лазеров. В его излучении отчетливо проявляются все характерные свойства этих лазеров, в частности лэмбовский провал, обсуждавшийся в лекции одиннадцатой. Ширина этого провала близка к ширине одной из тех однородно уширенных линий, совокупность которых образует неоднородно уширенную доплеровскую линию. В случае гелий-неонового лазера такой однородной шириной является естественная ширина . Так как , то положение лэмбовского провала (см. рис. 11.6) очень точно показывает положение центра линии рабочего перехода. Кривая, представленная на рис. 11.6, для лэмбовского провала экспериментально получается путем плавного изменения длины резонатора одномодового лазера. Следовательно, положение минимума провала может быть использовано при соответствующей обратной связи, управляющей длиной резонатора, для стабилизации частоты генерации лазера. Так получена относительная стабильность и воспроизводимость частоты, равная . Отметим, однако, что более высокая стабильность достигается, когда провал выжигается не в линии усиления активной среды, а в линии поглощения резонансного газа. Для линии генерации таким газом является метан.

Подчеркнув в заключение, что существует целый ряд газовых лазеров на нейтральных атомах, в том числе на атомах благородных газов, отметим, что промышленность выпускает гелий-неоновые лазеры в широком ассортименте.