Атомарные газовые лазеры. 
Гелий-неоновый лазер

Первым газовым лазером непрерывного действия был лазер, в котором в качестве активной среды использовалась смесь двух газов — гелия и неона. Схематическое устройство Не—Ые лазера.

Рис. 19.1.

приведено на рис. 19.1, где 1 — газоразрядная трубка со смесью газов гелия и неона, 2 — зеркала резонатора, 3 — накаливаемый катод, 4 — анод, 5 — источник электрического питания.

Газоразрядная трубка (ГРТ) 1 изготавливается из кварца или высококачественного стекла, подвергается термической обработке, откачивается и заполняется рабочей смесью. Отношение парциального давления гелия (Не) и неона (N6) обычно составляет величину Р_Нв/Р"_е ⁼ 5. Л5. Выходные окна ГРТ устанавливаются под углом Брюстера к оптической оси резонатора. Наличие брюстеровских окон обусловливает поляризацию генерируемого излучения и минимальное отражение его от торцов ГРТ. Наибольшее усиление имеет место для волны, поляризованной в плоскости, проходящей через ось резонатора и нормаль к плоскости выходного окна (на рис. 19.1 плоскость чертежа, являющаяся плоскостью падения для луча лазера). В этой плоскости поляризовано выходное излучение газового лазера.

Возбуждение газовой среды может быть обеспечено как посредством безэлектродного высокочастотного индукционного разряда, так и за счет разряда на постоянном токе (см. рис. 19.1).

В газовых лазерах на нейтральных атомах общее давление газовой смеси составляет величину порядка 1 мм рт. ст.

Индуцированное излучение создается атомами неона, а атомы гелия облегчают получение инверсной населенности в неоне за счет неупругих процессов соударения 2-го рода.

Схема нижних возбужденных состояний атомов гелия и неона приведена на рис. 19.2. Нижним возбужденным состояниям атома гелия соответствуют значения энергии 20,61 и 19,82 эВ. Переходы 2¹ 5₀ — I¹ ?₀ и 2³ —*> I¹ 5₀ запрещены, поэтому со стояния 2¹ ?₀ и 2³ являются метастабильными с большим временем жизни т ~ 10 ³ с. Энергетические состояния неона 25,.

Рис. 19.2.

3 $, 2р, 3р, как это показано на рис. 19.2, представляют собой в каждом случае несколько близко расположенных энергетических уровней. Уровни За и 2 В неона энергетически близки к метастабильным уровням гелия. Состояния 1 $ неона являются метастабильными (с временем жизни т ~~ 10~³ с); релаксационные переходы из этих состояний происходят преимущественно за счет столкновений атомов со стенками трубки. Накопление атомов в этих состояниях является нежелательным, поскольку это приводило бы к дополнительному заселению уровней 2р (за счет захвата фотонов, возникающих при релаксационном излучательном переходе 2р -* 1а), а, следовательно, к уменьшению инверсной населенности на рабочих лазерных уровнях.

Возбуждение атомов гелия и неона в разряде происходит за счет прямого электронного соударения. Населенность состояния в установившемся режиме определяется произведением скорости заселения на время жизни данного состояния. Следует отметить, что времена жизни в состояний неона несколько больше времен жизни р состояний, поэтому даже при равных скоростях возбуждения возможна инверсия населенностей в стационарном режиме на переходах в—р.

Присутствие в разряде метастабильных атомов гелия приводит к передаче возбуждения от метастабилей гелия 2^!5₀ и 2³ 5! к атомам неона (состояния За и 2в). Поскольку эффект передачи возбуждения является резонансным, то он приводит к селективному заселению тех состояний неона, энергия которых наиболее близка к энергии исходных состояний гелия. Таким образом, возникает дополнительный механизм заселения состояний 2з и За, и их населенность при определенных условиях разряда может превысить населенность состояний группы 2р и 3р.

При рассмотрении условий получения инверсии на переходах 2в — 2р и За —* 3р следует учитывать, что состояния 1а неона хорошо заселяются в разряде и при больших токах разряда процесс ступенчатого возбуждения атомов из состояний 1 В в состояния 2р и Зр может стать существенным. Этот процесс ведет к дополнительному подзаселению нижних рабочих состояний и, следовательно, к уменьшению, инверсии и срыву генерации. Генерация на переходах с X ~ 1,15 мкм, 3,39 мкм и 0,63 мкм наблюдается примерно в одинаковых условиях разряда и характеризуется аналогичными зависимостями мощности генерации от параметров разряда.

Выделение генерации на определенном переходе с определенной длиной волны осуществляется подбором интерференционных зеркал, введением в резонатор диспергирующего или селективно поглощающего элемента. Наибольшее усиление соответствует переходу 3″ —'> Зр с X ~ 3,39 мкм. Мощность генерации Р в первом приближении пропорциональна превышению инверсии JN над пороговым значением ДЛГ_пор, обеспечивающим компенсацию потерь в резонаторе, т. е. Р ~ (ДЛГ — Д7У_пор). Значение инверсии и мощность генерации в значительной степени зависят от тока разряда, общего давления смеси, соотношения компонент смеси, диаметра разрядной трубки, формы сечения разрядной трубки.

Зависимость мощности генерации от тока разряда для генерации на длине волны X ~ 0,63 мкм представлена на рис. 19.3. С увеличением разрядного тока возрастает плотность электронов в плазме положительного столба разряда, все процессы электронного возбуждения интенсифицируются, населенность всех возбужденных, в том числе и рабочих состояний, возрастает. При небольших токах разряда /_р, когда процессами ступенчатого возбуждения из состояний 1 В можно пренебречь, возрастание населенности рабочих состояний происходит пропорционально току, соответственно увеличивается и инверсия населенностей. Когда величина инверсии превысит пороговое значение (7_р ~ 2…20 мА), возникает генерация. Дальнейшее увеличение тока приводит к возрастанию мощности излучения.

Рис. 19.3.

Рис. 19.4.

Как отмечалось выше, при больших разрядных токах, когда концентрация электронов в плазме велика, начинают сказываться процессы ступенчатого возбуждения нижних рабочих состояний 2р и Зр с долгоживущих уровней 1.ч. Скорость этого процесса приблизительно пропорциональна квадрату концентрации электронов, в то время как скорость прямого возбуждения приблизительно линейно связана с концентрацией электронов. В результате дополнительного заселения нижних рабочих состояний инверсия снижается, мощность генерации падает и при токах /_р порядка нескольких сотен мА генерация срывается.

Увеличение общего давления смеси при малых давлениях до.

1…2 мм рт. ст. (примерно 100…200 Па) приводит к возрастанию мощности генерации. Это связано с увеличением концентрации атомов неона и гелия и с общим ростом населенностей возбужденных состояний. При большом давлении существенным оказывается снижение электронной температуры, приводящее к резкому уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы смеси. Характерная кривая зависимости мощности излучения от общего давления смеси дана на рис. 19.4.

Инверсия на рабочих переходах сильно зависит от передачи возбуждения с метастабилей гелия к атомам неона. В разряде с равной вероятностью происходит и обратный процесс, связанный с передачей возбуждения от атомов неона в состояниях 2.9 и Зз к невозбужденным атомам гелия. Вероятности двух встречных процессов практически равны, их скорости пропорциональны населенностям исходных состояний. Для того чтобы направить процесс в смеси от гелия к неону, необходимо создать избыточную концентрацию гелия, поэтому в рабочей смеси гелия всегда больше. Оптимальное соотношение парциальных давлений неона и гелия находится в диапазоне от 1: 5 до 1: 15.

На величину выходной мощности сильное влияние оказывает диаметр газоразрядной трубки. Увеличение диаметра приводит к увеличению объема активной среды, в результате чего мощность должна была бы нарастать. Однако с ростом диаметра трубки снижается электронная температура, что снижает инверсию. Кроме того, одним из основных процессов, приводящих к уменьшению населенности состояния 1″, является диффузия возбужденных атомов неона к стенкам и их столкновение со стенками, что приводит к освобождению состояния 1 $. С увеличением диаметра трубки время диффузии атомов неона к стенкам увеличивается, следовательно, эффективное время жизни в состоянии 1 В также возрастает, вследствие чего инверсия населенностей снижается. Таким образом, населенность нижних рабочих состояний лазерного перехода растет с увеличением диаметра. В результате существует оптимальный диаметр ГРТ, который для трубки метровой длины равен 7…9 мм. Повышения мощности генерации можно добиться за счет применения трубок с эллиптическим сечением. Делая сечение трубки эллиптическим, можно, сохраняя минимальный размер сечения неизменным, увеличить объем активной смеси за счет другого размера сечения.