В качестве примеров газоразрядных лазеров на нейтрально атомах рассмотрим два прибора гелий-неоновый лазер на парах меди. Это был первый газоразрядный лазер, ч котором в конце 1960 г. была получена генерация в инфракрасной области на длине волны 1,15 мкм. Особую популярность - получил, когда была осуществлена генерация в видимой области спектра.
За прошедшее время превратился из экзотического лабораторного прибора в обычном инструмент, используемый практически во всех областях техники и даже искусства. Оптические переходы как между этими состояниями, так и в основное состояние запрещены в дипольном приближении. Важно, что верхние уровни 2S2 и 352 по энергии расположены близко к уровням атома гелия.
Дефицит энергии примерно равен 35 мэВ. Каждой из электронных конфигураций соответствует группа уровней, обозначаемая для краткости 2Р и ЗЛ Каждая группа состоит из 10 уровней, нумеруемых по мере уменьшения энергии от 1 до 10. Оптические переходы между 5 и состояниями разрешены (точнее, из 40 возможных комбинаций разрешены 30). (Это справедливо и для других благородных газов Аг, Хе и Кг.) Добавление к неону большого количества гелия обеспечивает Селективное заселение верхних рабочих уровней 2S и 35, увеличивает инверсию и существенно облегчает получение генерации.
Для tat чтобы осуществить генерацию на этих переходах, необходим в резонаторе применять селективные зеркала, обладающие большим коэффициентом отражения в заданной области и большим потерями (малым отражением) в области конкурирующих переходов. По этой причине работа (He-Ne) лазер критична к диаметру разрядной трубки D и не допускает применения трубок с D 10 мм.
Разрядная трубка изготавливается, как правило, и стекла и заполняется смесью газов He Ne при оптимальное давлении. В трубку впаяны электроды. Зеркала резонатора и газоразрядная трубя. зафиксированы в специальной арматуре, основу которой составляют инваровые стержни, имеющие малый температурный коэффициент линейного расширения. Юстиров очные устройства позволяют настраивать одно из зеркал резонатора и перемещать трубку.
При расположении зеркал внутри рабочей трубки необходимость в специальной арматуре, естественно, отпадает. Наибольшее распространение получили малогабаритные маломощные He-Ne лазеры с длиной разрядной трубки 8...20 см и внутренним диаметром 2...4 мм, работающие в красной области спектра на длине волны 0,6328 мкм в непрерывном режиме С выходной мощностью L..5 мВт. Поскольку коэффициент усиления в (He-Ne)-лазере мал, особенно для X = 0,63 мкм, то его резонатор должен обладать высокой добротностью.
Это накладывает жесткие требования к качеству зеркал резонатора. Металлические покрытия этим требованиям не удовлетворяют и в резонаторе (He-Ne)-лазер а всегда применяют многослойные интерференционные диэлектрические зеркала. Для других областей применяют другие материалы. Изменение коэффициента отражения в максимуме достигается, например, изменением числа слоев.
Рабочие характеристики (He-Ne)-лазера зависят об общем давления и соотношения компонент газовой смеси, от диаметр и длины газоразрядной трубки, от коэффициентов отражение зеркал и от разрядного тока. Эти зависимости определяют о особенностями процессов возбуждения и релаксации активны атомов Для каждого из перечисленных параметров существуй свой оптимум.
Качественно эти зависимости совпадают для всех трех рабочих диапазонов. Наличие оптимумов по давлению Р как рабочего (Ne), та и вспомогательного (Не) газа связано с конкуренцией двух фа торов: с одной стороны, при увеличении Р растет число активны ч частиц, а с другой при больших давлениях начинает сказываться снижение электронной температуры.
Величина Те определяется произведением давления газа Р на внутренний диаметр трубки D. Для (Не №) лазера, работающего на длине волны 0,63 или 3,39 мкм, оптимальные значения PD и PHJP G совпала ют, поскольку верхний лазерный уровень для этих переходов один и тот же. Внутренний диаметр разрядной трубки ограничен процессами диффузии атомов Ne к стенкам, так что обычно Д З.,.10 мм.
Однако дальнейший рост выходной мощности ограничивают процессы двухступенчатого электронного возбуждения атомов Ne из состояний 15 в состояния P и ЗД приводя ж заселению нижних рабочих лазерных уровней, уменьшению инверсии и в конечном итоге к срыву генерации.
Так как эти переходы разрешены в дипольном приближении, то для них характерны большие сечения взаимодействия при столкновении с электронами. Скорость этого процесса приблизительно пропорциональна концентрации свободных электронов и концентрации атомов неона в возбужденном состоянии 15, которая в свою очередь примерно пропорциональна концентрации электронов (плотности разрядного тока).
Таким образом, процесс паразитного заселения нижних рабочих состояний 2Р и ЗР примерно пропорционален квадрату плотности тока, Поэтому в He-Ne лазерах увеличение тока разряда выше оптимального значения приводит к падению мощности излучения. Каких-либо эффективных путей дезактивации возбужденных состояний SNe, кроме взаимодействия со стенками разрядной трубки, пока что не найдено.
Простейшим примером может служить элементарная реакция замещения при которой продукт реакции - молекула АВ получается в возбужденном состоянии. Эти специфические процессы используются для накачки химических лазеров. Итак, используя перечисленные основные процессы обмена энергией в плазме газового разряда, нетрудно представить общую схему работы газового лазера.
Инверсия населенности создается между его рабочими лазерными уровнями по четырехуровневой схеме вспомогательный. Время жизни атома Л в возбужденном состоянии было бы достаточно большим (уровень метастабильный), во всякое случае, больше среднего времени между столкновениями части и рабочего и вспомогательного газа.
Система уровней рабочего газа В должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к четырехуровневой (в крайнем случае - трехуровневой) схеме работы лазера. Активный эле мент представляет собой трубку, заполненную смесью галоп, в которой с помощью впаянных в нее электродов анода и катода и источника питания ИЛ зажигается электрический pa:s-ряд. Трубка помещается в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами. Зеркала резонатора могут располагаться или внутри трубки, или вне ее.
В первом случае необходимо специальное устройство (сильфон), которое позволяло бы перемещать зеркала внутри разрядной трубки для их точной юстировки. Очевидно, что излучение лазера, внутри резонатора которого расположены окна Брюстера, будет, поскольку условие самовозбуждения будет в первую очередь выполняться для волны, вектор Е которой параллелен плоскости падения и перпендикулярен оптической оси резонатора.
Инверсия населенности в стационарном режиме может быть получена, если время жизни уровня определяется излучательными переходами на уровень, вероятность которых меньше вероятности опустошения нижнего уровня. В противном случае при ( инверсию населенностей между уровнями в стационарном режиме получить невозможно, но ее можно получить в нестационарном, импульсном режиме с помощью так называемых самоограниченных переходов. Понятно, что лазер может работать только в импульсном жиме с длительностью лазерного импульса меньше времен жизни уровня.
