Газовые лазеры. 
Электроника

Общие сведения

Газовые лазеры — наиболее широко используемый вид лазеров. Среди них можно найти лазеры такого типа, которые будут удовлетворять почти любому требованию.

Особенности газовых лазеров большей частью обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками излучения атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны. Они определяются атомной структурой и практически не зависят от условий окружающей среды. Генерация может быть осуществлена в любой части оптического диапазона — от УФ (~ 200 нм) до далекой ИК области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область.

Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры поперечных мод резонатора. Необходимо также отметить, что линии спонтанного излучения в газовом лазере наиболее узки (10~⁸…10 ² А). Ширина линии генерации газовых лазеров минимальна среди всех видов лазеров и может составлять десятки герц. Благодаря высокой однородности активной среды в газовых лазерах можно получать наименьший угол расходимости лазерного луча по сравнению с другими типами лазеров (порядка минуты без всяких дополнительных коллимирующих устройств).

Газовые лазеры можно разделить на три вида: атомарные, ионные и молекулярные.

Лазеры на нейтральных атомах являются главным образом генераторами ближнего ИК и красного излучения, поскольку для нейтральных атомов энергия, соответствующая лазерным переходам, составляет обычно 1…2 эВ.

В ионных газовых лазерах энергия излучения квантов значительно больше— 2…5 эВ иг более, поэтому ионные газовые лазеры генерируют видимое и УФ-излучение.

В молекулярных лазерах используются колебательные и вращательные уровни молекул, для которых энергия переходов составляет сотые и десятые доли эВ, что соответствует излучению в далеком ИК и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

Процессы создания инверсии населенностей в газовых лазерах

Свойства газовых лазеров зависят от величины давления и природы газа, от взаимного расположения и времени жизни рабочих уровней, от энергии и плотности свободных электронов, от размеров объема, где расположен газ, от способа подведения энергии и ряда других факторов (см. п. 15.2). Можно указать следующие механизмы создания инверсии населенности в газовых лазерах: неупругие столкновения частиц 1-го и 2-го рода в газовом разряде, оптическая накачка, диссоциация молекул, фотодиссоциация. В большинстве случаев в газовых лазерах накачка осуществляется за счет газового разряда, создаваемого в активной среде, где располагаются электроды. Основные физические процессы в газовом разряде рассмотрены в гл. 15. Здесь будут перечислены и просуммированы те положения, которые доминируют при получении инверсии населенностей.

Из всего большого разнообразия видов разряда в газе (см. п. 15.2) в технике газовых лазеров наиболее часто используются тлеющие и дуговые разряды, в которых можно выделить три характерные области: прикатодную, прианодную и область положительного столба (см. п. 15.2). Напомним, что положительный столб отличается от приэлектродных областей небольшим градиентом потенциала и отсутствием объемного заряда. В плазме положительного столба в основном и создается инверсия населенностей, поскольку в этой области присутствуют как электроны, так и нейтральные возбужденные и невозбужденные атомы, молекулы и ионы, как положительные, так и отрицательные.

Все частицы в плазме положительного столба находятся в непрерывном хаотическом движении, а заряженные частицы еще участвуют и в непрерывном дрейфовом движении. В процессе своего движения частицы взаимодействуют (соударяются) друг с другом, обмениваются энергией, в результате чего и происходит возбуждение и ионизация атомов и молекул. Процессы взаимодействия между частицами в плазме разряда принято делить на две группы: упругие и неупругие.

За счет упругих взаимодействий энергия от заряженных частиц передается нейтральным, а направленное движение частиц превращается в хаотическое. Поэтому средняя энергия хаотического движения частиц в плазме возрастает и, следовательно, их температура оказывается выше, чем температура окружающей среды, однако увеличение средней энергии различно для разных частиц.

Среди неупругих процессов взаимодействия 1-го рода наиболее существенными являются следующие: прямое электронное возбуждение, ступенчатое электронное возбуждение, ионизация атома (см. п. 15.2). При прямом электронном возбуждении возбужденные состояния атомов заселяются при малой концентрации электронов в разряде. При ступенчатом возбуждении заселяются возбужденные состояния атомов при достаточно большой концентрации электронов в газовом разряде. Ионизация приведет к увеличению количества заряженных частиц в плазме. Все эти три неупругих процесса являются процессами 1-го рода, так как в результате взаимодействия суммарная кинетическая энергия частиц убывает (см. п. 15.2).

При взаимодействии медленного электрона с возбужденным атомом возможно соударение 2-го рода, при этом атом отдаст свою внутреннюю энергию и перейдет в невозбужденное состояние. Результатом этого процесса является обеднение возбужденных состояний. Другим эффективным процессом неупругих соударений 2-го рода являются соударения нейтральных и возбужденных атомов в смеси различных газов, когда невозбужденный атом одного газа сталкивается с возбужденным атомом другого газа и в результате этого происходит передача возбуждения. Результатом такого процесса является дополнительное заселение возбужденных состояний за счет взаимодействия с атомами буферного газа. Вероятность этого процесса тем выше, чем ближе друг к другу расположены энергетические уровни, между которыми осуществляется обмен возбуждениями, т. е. в идеальном случае эти уровни должны иметь одно и то же значение энергии.

Перечисленные процессы далеко не исчерпывают все многообразие явлений в плазме положительного столба. Однако они позволяют в первом приближении трактовать механизмы создания инверсии населенностей в наиболее распространенных видах газовых лазеров. В заключение подчеркнем роль упругих и неупругих процессов в создании инверсии населенностей. Инверсия населенностей непосредственно обязана неупругим соударениям. Упругие же столкновения определяют среднюю энергию хаотического перемещения электронов (электронную температуру) в газовом разряде, которая определяет вероятность и значение сечения возбуждения или ионизации. Сечения процессов немонотонно зависят от электронной температуры.