Газоразрядные лазеры. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Газоразрядные лазеры - наиболее распространённый класс газовых лазеров, в к-рых для формирования активной среды используются электрич. разряды в газах. При переходе к давлениям газа порядка атмосферного и выше (необходимого для повышения мощности газоразрядного лазера) появляющиеся неустойчивости разряда делают активную среду неоднородной и непригодной для возбуждения генерации. Для повышения устойчивости разряда используют предионизацию разрядного объёма пучком заряж. частиц, вспомогат. разрядом, коротковолновым (оптич. или рентг.) излучением. В газоразрядном лазере высокого давления часто применяют поперечный разряд обычно с предионизацией (ТЕА-лазеры, от англ. transverse excitation atmospheric).

Газоразрядные лазеры на атомных переходах Возбуждение электронным ударом позволяет получать непрерывную и импульсную генерацию на большом числе квантовых переходов разл. атомов в видимой части спектра (в основном атомов инертных газов) и гл. обр. в ИК-области. Прямым электронным ударом наиб. эффективно возбуждаются уровни, связанные с осн. состоянием атома разрешёнными переходами. Непрерывная инверсия населённости рабочих уровней в трёхуровневой системе в большинстве случаев образуется за счёт опустошения (распада) нижнего рабочего уровня спонтанным излучением (см. Лазер ). Мощность и кпд газоразрядного лазера этого типа невелики, но они просты в изготовлении и эксплуатации. Для их возбуждения используют тлеющий разряд или высокочастотный разряд. На ряде линий достигается высокий коэф. усиления (напр., ~1 см^-1 на

=3,51 мкм). Пример - газоразрядный лазер на переходах атома Xe.

Рис. 1. Схема уровней атома Cu, участвующих в генерации.

В импульсном режиме наиб. практич. интерес представляет генерация на т. н. самоограниченных переходах, ниж. уровни к-рых метастабильны. Длительность существования инверсии населённости на таких переходах ограничена накоплением частиц на ниж. уровне; она не больше времени жизни частиц на верхнем рабочем уровне (рис. 1; обозначения уровней см. в ст. Атомные спектры). Наиб. мощность и эффективность генерации достигнута на переходах с первого резонансного уровня, т. к. он наиб. эффективно заселяется электронами. На самоограниченных переходах ряда атомов (Cu, Ba, Mn, Pb, Au, Eu и др.) получена генерация со ср. мощностью >1 Вт при относительно высоком кпд 0,1-1%. Эти газоразрядные лазеры обычно работают с высокой частотой повторения импульсов (5-20 кГц) и обладают высоким усилением. Наилучшие характеристики имеют газоразрядные лазеры на парах Cu (

=510,6; 578,2 нм), ср. мощность генерации к-рых приближается к 100 Вт при кпд ~1%.

Передача возбуждения от долгоживущих частиц.

В нек-рых газоразрядных лазерах в образовании инверсии населённостей помимо электронного удара важную роль играет процесс резонансной передачи энергии от долгоживущих метастабильных атомов (донорный газ). В частности, в первом и наиб. распространённом газоразрядном лазере [А. Джаван (A. Javan), У. Беннетт (W. Bennett) и Д. Херриотт (D. Herriott), 1961] происходит передача возбуждения от атомов Не атомам Ne, в результате чего селективно заселяются нек-рые уровни Ne (рис. 2). Генерация может быть получена на большом числе переходов, стрелками показаны используемые обычно переходы. Ниж. уровни этих переходов достаточно быстро опустошаются спонтанным излучением, что обеспечивает генерацию в непрерывном режиме.

Для возбуждения Не-Ne-лазера используют тлеющий разряд. Усиление - лишь неск. % за 1 проход, и генерация возникает только при применении зеркал с малыми потерями (см. Оптический резонатор). Мощность излучения Не - Ne-лазера варьируется от 1 до 100 мВт, его кпд

0,1%. Однако, он прост и технологичен; особенно широко используется "красный" переход (

=632,8 нм).

Ионные газоразрядные лазеры

Непрерывная и импульсная генерация на большом числе переходов (неск. сотен линий в видимой и УФ-областях спектра) получена возбуждением электронами атомарных ионов разл. кратности. Наиб. распространены непрерывные лазеры, генерирующие на переходах ионов инертных газов. Непрерывный Аr⁺-лазер генерирует на 10 линиях в сине-зелёной области спектра в диапазоне 454,5-528,7 нм. Заселение верхних рабочих уровней в нём осуществляется ступенчатым возбуждением электронами через основное и метастабильные состояния иона, а также каскадами (неск. последоват. переходов) с более высоких уровней. Нижние рабочие уровни быстро опустошаются спонтанным излучением. В пром. Аr⁺-лазерах достигаются мощности генерации 1-40 Вт (в лаб. образцах - до 500 Вт) при кпд ~0,1%. Для возбуждения Аr⁺-лазера применяется сильноточный разряд в узких трубках с плотностями тока порядка сотен А/см². Разрядные трубки (из керамики на основе BeO, графитовых шайб или из покрытых слоем Al₂O₃ шайб, интенсивно охлаждаемых проточной водой) наполняются Ar до давления в неск. десятых мм рт. ст. Обычно они помещаются в соленоид, создающий продольное магн поле ~1 кГс. Непрерывный ионный Кr⁺-лазер аналогичен, но обладает несколько худшими характеристиками генерации и генерирует в диапазоне 468-752,5 нм.

Для многих газоразрядных лазеров, генерирующих на переходах атомных ионов, существ. роль в образовании инверсии играют два процесса - перезарядка

и т. н. процесс Пеннинга

, в к-рых возбуждённые состояния иона

образуются за счёт передачи энергии от иона А⁺ или метастабильного атома

(обычно иона или метастабильного атома инертного буферного газа, чаще всего Не или Ne). Перезарядка - резонансный процесс, т. е. имеет заметную эффективность только тогда, когда разность энергий начального и конечного состояний частиц мала (

~0,1-1,0 эВ), что приводит к селективному заселению одного или нескольких близких уровней иона B⁺ . Процесс Пеннинга не приводит к селективному заселению уровней, стационарная инверсия в этом случае образуется за счёт быстрого опустошения ниж. уровня. За счёт перезарядки с ионом He⁺ инверсия образуется на переходах: Hg⁺, Cd⁺, Zn⁺, Se⁺ , Te⁺, J⁺, Tl⁺, As⁺, Cu⁺, Ag⁺, Au⁺, Be⁺; за счёт перезарядки с Ne⁺-на ионаx Tl⁺ , Mg⁺, Be⁺ , Te⁺ , Ga⁺, Sn⁺, Pb⁺, Cu⁺, Ag⁺, Al⁺ ; перезарядки с Kr⁺-на ионах Ca⁺ и Sr⁺.Возбуждение процессом Пеннинга приводит к генерации на переходах ионов Cd⁺, Zn⁺, Mn⁺, Sn⁺ , Cu⁺. Иногда действуют оба процесса, а также возбуждение электронами и в результате каскадных переходов с уровней, заселяемых указанными процессами. Относит. вклад разных процессов зависит от условий разряда.

Рис. 3. Схема уровней Не и Cd. Возбуждение уровней Cd⁺

происходят перезарядкой с He⁺; возбуждение уровней , -процессом Пеннинга от метастабильного

уровня

Наиб. распространённый лазер этого типа - Не-Cd-лазер. Линии с

=441,6 нм и 325,0 нм возбуждаются процессом Пеннинга, все остальные - перезарядкой с ионом He⁺ или каскадами переходов с уровней, заселяемых перезарядкой (рис. 3). Не-Cd-лазеры ср. размеров позволяют получить мощность генерации в непрерывном режиме ~10-50 мВт на линии

141,6 нм при кпд ~0,1% и неск. мВт на линии

325,0 нм. Близкими характеристиками обладает Не - Se-лазер, генерирующий на мн. линиях гл. обр. в зелёной области спектра.

Для возбуждения ионных лазеров этого типа обычно используют тлеющий разряд, пары металла вводят с помощью катофореза. Часто используют также разряд в полом катоде и поперечный ВЧ-разряд. При этом хорошо заселяются уровни, возбуждаемые перезарядкой.

Рекомбинационные лазеры. Инверсия образуется в в процессе рекомбинации ионов и электронов. В этом процессе уровни атомов или ионов заселяются не "снизу", а "сверху". Генерация возникает во время послесвечения импульсного разряда, когда происходит интенсивная рекомбинация. Рекомбинац. лазеры реализованы на мн. переходах атомов и атомарных ионов в УФ-, видимой и ИК-области спектра. Наилучшие характеристики генерации получены на линиях иона Sr⁺ (

=430,5 и 416,2 нм) и Ca⁺ (

=373,7, 370,6 нм). Скорость рекомбинации резко растёт с уменьшением энергии (охлаждением) электронов. Для ускорения охлаждения в разряд вводят легкий буферный газ Не при давлении 200-600 мм рт. ст. На линиях Sr⁺ получена генерация со ср. мощностью до 2 Вт при кпд ~0,1%. Предполагается, что с помощью рекомбинац. лазеров удастся получить генерацию в КВ-области спектра вплоть до рентгеновской.

Электронные переходы молекул. Вероятность возбуждения электронных состояний молекул электронным ударом того же порядка, что и для возбуждения уровней атомов. Однако из-за наличия колебат. и вращат. возбуждений электронные уровни молекул расщепляются на большое число подуровней. При возбуждении в разряде инверсия населённостей распределяется по большому числу переходов, в связи с чем на электронных молекулярных переходах труднее получить большое усиление. Эта трудность увеличивается при переходе от простых и лёгких молекул к более сложным и тяжёлым, а также с увеличением температуры.

Однако прямое электронное возбуждение позволило получить генерацию на электронных переходах молекул N₂, H₂, D₂, HD, СО, NO. Наиб. распространён N₂-лазер. Прямым электронным ударом наиб. эффективно возбуждаются уровни, удовлетворяющие Франка - Кондона принципу. На рис. 4 этот переход показан широкой стрелкой (обозначения уровней см. в ст. Молекула, Молекулярные спектры). Генерация происходит на переходах, отмеченных стрелками вниз. Широкое распространение получил УФ-лазер на N₂, генерирующий на многих переходах вращат. спектра 2⁺ системы полос азота, напр. (=0 =0) (

=337,1 нм;

- колеоат. квантовые числа верхнего и нижнего колебат. уровней). Лазер возбуждается, как правило, в поперечном разряде и имеет пиковую мощность ~1 мВт при кпд до 0,1% и длительности импульса в неск. нс.

Рис. 4. Кривые потенциальной энергии молекулы N₂, r - расстояние между ядрами.

Генерация получена и на др. электронных переходах N₂ видимой и ближней ИК-области спектра, а также на переходах СО в видимой и УФ-области спектра, на переходах H₂, D₂ и HD в ближней ИК- и УФ-области спектра, на молекуле NO в ИК-области спектра. Мощности генерации на этих переходах значительно меньше, чем УФ-лазера на N₂.

Мощная генерация получена в смеси N₂+Ar в поперечном разряде высокого давления. В этом случае накачка верхних рабочих уровней молекулы N₂ происходит за счёт процесса передачи энергии от метастабильных атомов Ar. Наиб. мощность получается на переходе

(

=0 ->

=1),

=357,7 нм. В смеси N₂+He при высоких давлениях получена генерация на переходах

молекулярного иона N₂⁺. Это пока единств. случай генерации на электронных переходах молекулярного иона. Наиб. интенсивна генерация с

=427,8 нм. Осн. механизм накачки верхних лазерных уровней - перезарядка на ионе He⁺.

Эксимерные и эксиплексные лазеры генерируют на электронных переходах молекул, существующих в виде прочных соединений только в возбуждённых состояниях и распадающихся или слабо связанных в осн. состоянии (такие молекулы, состоящие из одинаковых атомов или атомных групп, напр. Xe₂, Kr₂, Ar₂, наз. эксимерами, а из разл. атомов XeF, KrF и др.- эксиплексами). Часто все лазеры этого типа наз. эксимерными. Для этих газоразрядных лазеров характерны сложные процессы заселения верхних рабочих состояний, включающие обычно столкновит. и хим. процессы, приводящие к эффективной передаче энергии от ионов и возбуждённых атомов буферного и рабочего газа на верхние рабочие уровни эксимерной (эксиплексной) молекулы, к-рые затем распадаются с излучением. Эффективность преобразования энергии в эксиплексное излучение для мн. молекул ~10%. Нижние рабочие состояния лазерного перехода - "отталкивательные" или слабо связанные, скорость их распада велика, в результате чего на таких переходах легко образуется инверсия населённостей (см. Эксимерный лазер).

Ггазоразрядные лазеры на колебательных переходах молекул - наиб. мощные и эффективные. Они генерируют в ср. ИК-диапазоне. Наиб. распространённый - лазер на CO₂. В обычных условиях генерация получается на переходах с уровня 00⁰1 на уровни 10⁰0 и 02⁰0 (рис. 5), что соответствует двум полосам с длинами волн 10,4 мкм и 9,4 мкм. В каждой полосе генерация может быть получена на мн. переходах вращат. спектра. Накачка на верхний рабочий уровень в основном осуществляется столкновит. передачей энергии от колебат. возбуждённой молекулы N₂, находящейся на первом колебат. уровне v=l, энергия к-рого близка к энергии уровня 00⁰1 молекулы СО₂. Нижние рабочие уровни быстро опустошаются.

Рис. 5. Схема нижних колебательных уровней молекул CO₂ и N₂, участвующих в генерации СО₂-лазера; 00⁰1, 02⁰0, 01¹0 обозначают колебательные квантовые числа (верхний индекс - степень вырождения деформационных колебаний).

Удобное расположение рабочих уровней и благоприятные характеристики рабочих переходов позволяют получать на переходах молекулы CO₂ эффективную генерацию с помощью мн. способов накачки. Больше всего распространены непрерывный СО₂-лазер и импульсные TEA СО₂-лазеры. Непрерывные лазеры обычно возбуждаются в продольных трубках тлеющего разряда, наполненных смесью CO₂+N₂+Не (в соотношении ~1:2:5, Не способствует понижению температуры газа). С разрядной трубкой длиной 1 м можно получать непрерывную генерацию мощностью в десятки Вт при кпд ~10%. Дальнейшее повышение мощности ограничено нагревом активной среды в разряде. Для получения большей мощности (до неск. кВт) применяют разрядные трубки большой длины или неск. разрядных трубок, а также быструю прокачку рабочей смеси.

Для возбуждения СО₂-лазеров используются несамостоят. разряды, в частности с предионизацией пучком быстрых электронов (электроионизац. лазеры). Это позволяет значительно увеличить давление рабочей смеси и получать большие уд. энергосъёмы. Кроме того, в несамостоят. разрядах ср. энергия электронов ниже, что повышает эффективность возбуждения колебат. уровней. С импульсными электроионизац. СО₂-лазерами получают энергию генерации в неск. кДж.

Возбуждение разрядом приводит также к генерации на колебат. переходах др. молекул, напр. N₂O, CS₂, OCS, но эти лазеры имеют значительно меньшую мощность генерации и не получили распространения.

Особое место среди газоразрядных лазеров на колебат. переходах молекул занимает СО-лазер, обладающий высокой мощностью генерации в непрерывном и импульсном режимах (сравнимую с мощностью генерации СО₂-лазера) и кпд до 60%. СО-лазер генерирует на большом числе переходов, часто наблюдается каскадная генерация, когда ниж. уровень одного лазерного перехода является верх. уровнем след. лазерного перехода, и т.д. Инверсия населённости между колебат. уровнями СО образуется в процессе столкновит. релаксации в условиях, когда возбуждение колебат. состояний молекулы достаточно велико. Охлаждение газа способствует образованию инверсии и увеличивает мощность генерации.

Газоразрядные лазеры для далёкой ИК-области спектра генерируют в широкой области - вплоть до

~1 мм на переходах молекул между колебат. и вращат. уровнями. Их представители - лазеры на молекулах H₂O, D₂O, HCN. Широкого распространения эти лазеры пока не получили.

Литература по газоразрядным лазерам

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.