Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование электромагнитных колебаний с частотой 30 МГц при помощи в несколько десятков ватт.

Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током при напряжении 1000…2000 В, получаемым с помощью стабилизированных выпрямителей. В этом случае газоразрядная трубка подогревным и холодным катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на который подается импульсное напряжение около 12 кВ. это напряжение получают путем разряда конденсатора емкостью 1…2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора.

Достоинством гелий-неоновых лазеров являются когерентность их излучения, малая потребляемая мощность (8…10 Вт) и небольшие размеры. Основные недостатки – невысокий КПД (0,01…0,1 %) и низкая выходная мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать в импульсном режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой амплитуды при длительности в единицы микросекунд. Главные области практического применения гелий-неоновых лазеров – научные исследования и измерительная техника.

Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой плотности (~10 3 А/см 3).

Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4p ) и нижним (4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4p , имеющий по сравнению с уровнем 4sбольшее время жизни, заселяются ионами аргона за счет из столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5p . В то же время уровень 5p, обладающий очень коротким временем жизни, быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5p , 5s, 4p состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515.

В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (~0,1 %) и большая потребляемая мощность (3…5 кВт).

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Первые расчеты, касающиеся возможности создания лазеров, и первые патенты относились главным образом к газовым лазерам, так как схемы энергетических уровней и условия возбуждения в этом случае более понятны, чем для веществ в твердом состоянии. Однако первым был открыт рубиновый лазер, хотя вскоре был создан и газовый лазер. В конце 1960 г. Джаван, Беннет и Херриотт создали гелий-неоновый лазер, работающий в инфракрасной области на ряде линий в районе 1 мкм. В последующие два года гелий-неоновый лазер был усовершенствован, а также были открыты друг е газовые лазеры, .работающие в инфракрасной области, включая лазеры с использованием других благородных газов и атомарного кислорода. Однако наибольший интерес к газовым лазерам был вызван открытием генерации гелий-неонового лазера на красной линии 6328 А при условиях, лишь незначительно отличавшихся от условий, при которых была получена генерация в первом газовом лазере. Получение генерации в видимой области спектра стимулировало интерес не только к поискам дополнительным переходов такого типа, но и к лазерным применениям, так как при этом были открыты многие новые и неожиданные явления, а лазерный луч получил новые применения в качестве лабораторного инструмента. Два года, последовавшие за открытием генерации на линии 6328 А, были насыщены большим количеством технических усовершенствований, направленных главным образом на достижение большей мощности и большей компактности этого типа лазера. Тем временем продолжались поиски новых длин волн и были открыты многие инфракрасные и несколько новых переходов в видимой области спектра. Наиболее важным из них является открытие Матиасом и импульсных лазерных переходов в молекулярном азоте и в окиси углерода.

Следующим наиболее важным этапом в развитии лазеров было, по-видимому, открытие Беллом в конце 1963г. лазера, работающего на ионах ртути. Хотя лазер на ионах ртути сам по себе не оправдал первоначальных надежд на получение больших мощностей в непрерывном режиме в красной и зеленой областях спектра, это открытие указало новые режимы разряда, при которых могут быть обнаружены лазерные переходы в видимой области спектра. Поиски таких переходов были проведены также среди других ионов. Вскоре было обнаружено, что ионы аргона представляют собой наилучший источник лазерных переходов с большой мощностью в видимой области и что на них может быть получена генерация в непрерывном режиме. В результате дальнейших усовершенствований аргонового лазера в непрерывном режиме была получена наиболее высокая мощность, какая только возможна в видимой области. В результате поисков была открыта генерация на 200 ионных переходах, сосредоточенных главным образом в видимой, а также в ультрафиолетовой частях спектра. Такие поиски, по-видимому, еще не окончены; в журналах по прикладной физике и в технических журналах часто появляются сообщения о генерации на новых длинах волн,

Тем временем.технические усовершенствования лазеров быстро расширялись, в результате чего исчезли многие “колдовские” ухищрения первых конструкций гелий-неоновых и других газовых лазеров. Исследования таких лазеров, начатые Беннетом, продолжались до тех пор, пока не был создан гелий-неоновый лазер, который можно установить на обычном столе с полной уверенностью в том, что лазер будет функционировать так, как это ожидалось при его создании. Аргоновый ионный лазер не исследован столь же хорошо; однако большое число оригинальных работ Гордона Бриджеса и позволяет предвидеть в разумных пределах возможные параметры такого лазера.

На протяжении последнего года появился ряд интересных работ, посвященных газовым лазерам, однако еще слишком рано определять их относительную ценность. Ко всеобщему удивлению наиболее важным достижением явилось открытие Пейтелом генерации вынужденного излучения в СО2 на полосе 1,6 мк с высоким КПД. выходная мощность в этих лазерах может быть доведена до сотен ватт, что обещает открыть целую новую область лазерных применений.
Список использованной литературы:

Энциклопедический словарь юного физика (гл. редактор Мигдал А.Б.)

Москва “Педагогика” 1991г.

Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев “Физика 11”

Москва “Просвещение” 1993г.

О.Ф.Кабардин “Физика” Москва “Просвещение” 1988г.

”Газовые лазеры” (под. ред. Н.Н. Соболева) Москва “Мир” 1968г.

”Основы лазерной техники” Байбородин Ю. В. 2-е изд., К.:1988, 383с.

Среди газовых ионных лазеров следует выделить лазеры на ионах инертных газов (Ar + -лазер и Kr + -лазер), а также лазеры на парах металлов, наиболее распространенным из которых является He-Cd лазер.

Ионный аргоновый лазер является достаточно сложным и дорогостоящим устройством, но, несмотря на это, его довольно широко используют в различных областях, поскольку такой лазер способен генерировать достаточно мощное излучение в очень важных областях спектра - в коротковолновой части видимого диапазона и в УФ области.

Схема энергетических состояний нейтрального атома аргона и состояний иона аргона, участвующих в образовании инверсной населенности и лазерной генерации, представлена на слайде. Процесс накачки является двухступенчатым. На первом этапе происходит образование иона аргона в основном состоянии за счет удаления одного из p-электронов внешней оболочки при столкновении с электроном разряда:

При последующем столкновении иона аргона с электроном происходит возбуждение Ar + в состояние 4p:

. (15.2)

Помимо этих процессов, являющихся главными в процессе накачки, уровень 4p может заселяться каскадно – при первом столкновении заселяются уровни, расположенные ниже уровня 4p, а при следующем столкновении с электроном заселяется уже уровень 4p.

Лазерная генерация осуществляется на переходе 4p→4s. Нижний лазерный уровень опустошается, главным образом, излучательно с переходом в основное состояние Ar + с излучением на длине волны 72 нм. При этом время жизни нижнего лазерного уровня примерно на порядок меньше, чем верхнего. Поэтому аргоновый лазер работает в непрерывном режиме.

В действительности состояния 4p и 4sрасщеплены соответственно на 2 и 9 близкорасположенных компонент, вследствие чего генерация осуществляется на нескольких длинах волн. Наиболее интенсивными из них являются линии генерации с длинами волн 514.5 нм и 488 нм.

Электрический разряд, свойства которого похожи на свойства дугового разряда, происходит в газе низкого давления – оптимальное давление составляет порядка 0.25-0.5 Торр.

Вследствие того, что для возбуждения верхнего лазерного уровня требуется два столкновения аргона с электронами, скорость накачки зависит от квадрата плотности тока разряда. Выражение для скорости накачки верхнего лазерного уровня имеет вид:

, (15.3)

где N e иN A – плотности электронов и ионов аргона в разряде, причемN e ≈N A

Поскольку электрическое поле разряда не зависит от тока, плотность электронов пропорциональна плотности тока. Такая же зависимость наблюдается и для выходной мощности. Поэтому для достижения выходных мощностей порядка десятков ватт (мощности промышленных аргоновых лазеров находятся в диапазоне от 1 до нескольких десятков ватт) требуются токи порядка 1 А/см 2 при давлениях аргона приблизительно 0.5 Торр. Кроме того, большие плотности тока позволяют поддерживать высокую степень ионизованности газа.

Однако мощность излучения аргонового лазера растет с увеличением тока только до определенных ее значений, а деле начинает уменьшаться вплоть до исчезновения генерации. Спад мощности обусловлен, в основном, девозбуждением электронами верхних лазерных уровней, пленением УФ излучения на длине волны 72 нм, а также 100% ионизацией.

Большие плотности тока приводят к высокой температуре разряда (порядка 3000 К). Ширина линии генерации, уширенной из-за эффекта Доплера, составляет при этом порядка 3.5 ГГц. Высокая температура разряда приводит к необходимости обеспечения водяного охлаждения газоразрядной трубки аргоновых лазеров (в случае аргоновых лазеров, мощность которых не превышает 1 Вт, оказывается достаточным воздушного охлаждения).

Промышленные аргоновые лазеры могут быть как мощными (десятки ватт в непрерывном режиме) с водяным охлаждением, так и маломощными (меньше или порядка ватт в непрерывном режиме) с воздушным охлаждением. В отдельных случаях могут быть получены мощности излучения до сотен ватт.

В заключение еще раз подчеркнем, что использование мощных газовых разрядов требует принятия специальных мер для предохранения от разрушения оболочек и других конструктивных элементов газоразрядных трубок. Поэтому по конструктивному выполнению ионный аргоновый лазер значительно сложнее других газовых лазеров.

Основной длиной волны излучения Kr + лазера является длина волны 647.1 нм.

Схема уровней He-Cd лазера представлена на слайде. Генерация происходит на переходах иона кадмия. Так же, как и в He-Ne лазере, в этом лазере для накачки верхних лазерных уровней используется гелий. Однако механизм столкновительного переноса энергии от гелия к кадмию другой. Сначала при столкновении с электроном происходит возбуждение гелия в одно из метастабильных состояний 2 1 S 0 или 2 3 S 1 . Далее при столкновении возбужденного атома гелия с нейтральным атомом кадмия в основном состоянии происходит заселение верхних лазерных уровней 2 D 3/2 и 2 D 5/2 в соответствии с реакцией Пеннинга:

Остановимся на этой реакции более подробно. Во-первых, отметим, что для ее эффективного протекания несущественным является выполнение условия резонанса для состояний, между которыми происходит энергообмен – нужно лишь, чтобы энергии состояний гелия были больше, чем энергии кадмия, поскольку избыток энергии передается в кинетическую энергию электрона. Во-вторых, результатом этой реакции является не только ионизация кадмия, но и возбуждение образовавшегося иона кадмия.

Существенно, что в реакции Пеннинга могут заселяться состояния 2 D и состояния 2 P. Однако инверсия между этими состояниями достигается как за счет того, что эффективность заселения состояний 2 D все же выше, так и за счет существенно меньших времен жизни состояний 2 P(примерно на два порядка) по сравнению с временами жизни состояний 2 D. Последнее обстоятельство обеспечивает также возможность генерации в непрерывном режиме.

Опустошение нижнего лазерного уровня происходит (так же как и в случае аргонового лазера) излучательно с переходом иона кадмия в основное состояние.

При переходах из состояний 2 D в состояния 2 Pгенерация возникает на двух длинах волн: 441.6 нм и 325 нм. Коэффициент усиления для линии с длиной волны 441.6 нм несколько больше.

Таким образом, механизм возбуждения верхних лазерных уровней в гелий-кадмиевом лазере похож на соответствующий механизм в гелий-неоновом лазере, в то время как механизм опустошения нижнего лазерного уровня такой же, как в аргоновом лазере.

Принципиальное отличие гелий-кадмиевого лазера от гелий-неонового лазера заключается в том, что в гелий-кадмиевом лазере верхние лазерные уровни, соответствующие излучению с длинами волн 441.6 нм и 325 нм, разные, вследствие чего конкуренция между линиями генерации в этом лазере отсутствует.

Отличие от аргонового лазера состоит в том, что скорость накачки и выходная мощность пропорциональны первой степени плотности тока, поскольку реакция Пеннинга является одноступенчатой.

Многие параметры гелий-кадмиевого лазера примерно такие же, как и гелий-неонового. При одинаковой длине резонатора мощности излучения на длине волны генерации 441.6 нм He-Cd лазера и 0.63 мкм He-Ne лазера приблизительно одинаковы, параметры разряда (плотности тока) и рабочей смеси (давление) также близки, примерно одинаковы и температуры разряда, что приводит к сходным величинам ширин неоднородно уширенных линий – порядка 1 ГГц.

Одной из конструктивных особенностей гелий-кадмиевого лазера является схема, обеспечивающая поддержание однородной плотности ионов кадмия по длине газоразрядной трубки – ионный ток приводит к движению кадмия в область катода (процесс называется катафорезом). Следует отметить, что такая же проблема поддержания однородной плотности активной среды свойственна и аргоновым лазерам.

Для решения ее в аргоновых лазерах используется эффект диффузии ионов аргона от катода к аноду. в конструкции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа (рисунок на слайде). Для предотвращения возникновения разряда через эту трубку она делается длиннее основной газоразрядной трубки. Кроме того, трубку обычно помещают в постоянное магнитное поле, параллельное оси трубки. Продольное магнитное поле в значительной степени влияет на параметры плазмы; траектории электронов, движущихся поперек силовых линий поля к стенкам разрядной трубки, закручиваются. В результате частота соударений в плазме повышается, а потери на стенках уменьшаются. Напряжение горения разряда в магнитном поле снижается, и при том же разрядном токе мощность излучения увеличивается, то есть растет КПД.

В гелий-кадмиевых лазерах трубка изначально заполняется только парами гелия. Кадмий же в металлическом виде хранится в специальном резервуаре (небольшое расширение трубки), расположенном вблизи анода. При включении лазера этот резервуар (печка) нагревается до температур порядка 200-300 0 С, кадмий испаряется, его пары достигают области разряда, ионизируются при столкновениях с гелием, движутся в сторону анода и в конечном итоге равномерно заполняют объем разряда. Вблизи катода располагается аналогичный резервуар, который, однако, не нагревается, а охлаждается. Вследствие этого пары кадмия, достигая прикатодной области, конденсируются в этом резервуаре (холодильнике). Лазер работает по такой схеме до тех пор, пока большая часть кадмия не перетечет из печки в холодильник (лазер может обычно работать до 1000 часов). После этого можно поменять местами катод и анод, печку и холодильник, и снова включать лазер.

Ионные лазеры примечательны тем, что дают высокоинтенсивное излучение в видимой и ближней УФ областях. В качестве активных частиц здесь выступают ионы инертных газов.

Наиболее типичным представителем (и наиболее применяемым в медицине) является лазер на ионах аргона (Ar +). Этот лазер дает самое интенсивное непрерывное излучение в видимом диапазоне из всех известных лазеров. Поскольку излучающими частицами являются ионы, а не нейтральные частицы, для достижения порога генерации требуются высокие плотности тока. Газовый разряд здесь выполняет две задачи: обеспечивает высокую концентрацию ионов, фабрикуя ионы из нейтральных атомов, и возбуждает полученные ионы на нужные энергетические уровни. Упрощенная схема рабочих уровней аргонового лазера представлена на рисунке 8.7.

Эффективность двухступенчатого процесса создания инверсии пропорциональна по крайней мере квадрату тока разряда, поскольку эффективность каждого из процессов (ионизация и возбуждение) пропорциональна самому току. Возбуждение 4p и 4s уровней иона Ar + происходит из основного состояния иона 3p 5 :

Ar + e ® Ar + + 2e; Ar + + e ® (Ar +)* + e (8.1)

За возбуждение ответственны столкновения ионов с электронами. Если плотность ионов в основном состоянии N i , а электронов N е, то скорость накачки:

L = dN/dt ~ N i N e » N e 2 (8.2)

Условие N i » N е означает нейтральность плазмы в целом. Но, поскольку в стационарном состоянии N е ~I (I – плотность тока), L~I 2 . Полуэмпирическая формула, следующая из этих простых соображений, дает для выходной мощности аргонового лазера:

P/V = 10 -5 J 2 (8.3)

где Р/V [Вт/см 3 ] - объемная плотность мощности на всех излучающих модах, J - плотность разрядного тока.

Наряду с накачкой верхнего уровня необходимо заботиться об опустошении нижнего. Для ионов аргона соотношение времени жизни рабочих уровней 3p 4 4p и 3p 4 4s неблагоприятно (без внешних факторов нижний уровень является более долгоживущим). Помогает наличие УФ излучения с нижнего уровня с длиной волны около 72 нм. Такой радиационный распад нижнего уровня обеспечивает необходимые условия для инверсии.

Излучение в аргоне получено на 10 линиях перехода между состояниями 4p и 4s , наиболее интенсивными из которых являются линии 514,5 нм (зеленая) и 488,0 нм (синяя). КПД аргонового лазера, ограниченный сверху квантовым пределом ~7% (что следует из схемы уровней), составляет тот же порядок, что и для He-Ne лазера (0,1 – 0,05)%. Оценочно можно считать, что на каждый Вт выходной мощности приходится не менее 1 кВт потребляемой (для отечественных лазеров - не менее 5 кВт).

Для получения высокой плотности тока используются трубки малого диаметра. Разряд в данном случае не является чисто тлеющим, где степень ионизации очень мала, он ближе к дуговому. Высокая концентрация активных частиц дает возможность получать примерно в 1000 раз бóльшие уровни выходной мощности, чем в He-Ne смеси при тех же давлениях и длинах активной среды.

Ионные газовые лазеры были созданы практически одновременно во многих лабораториях, как в СССР, так и в США, в 1963-64 гг., поэтому затруднительно указать приоритетную разработку. Важно отметить, что их появление было предопределено объективными потребностями в получении когерентного излучения большой мощности в видимом диапазоне, причем в непрерывном режиме.

Ввиду больших плотностей тока и малого КПД тепловая нагрузка на активный элемент Ar + -лазера оказывается очень большой. Поэтому разработчикам Ar + -лазеров приходится сталкиваться с весьма серьезными техническими проблемами. Ионная температура в разряде составляет ~ 3000 К (ее можно с достаточной степенью точности оценить по доплеровской ширине линии лазера, составляющей ~ 3500 МГц). Это означает, что электроды и стенки подвергаются интенсивной бомбардировке тяжелыми ионами и претерпевают в процессе работы внушительную эрозию.

Но разогрев и эрозия - это еще не все беды ионных лазеров. Ввиду большой плотности тока ионы Ar + усиленно диффундируют от анода к катоду, что приводит к появлению продольных градиентов давления, расслоению газа в столбе разряда и срыву разряда вообще. Так что разработчикам аргоновых лазеров поначалу было впору схватиться за голову от обилия технологических проблем.

Тем не менее, к чести инженеров и конструкторов, были найдены весьма остроумные и изящные технические решения, позволившие если не решить, то в значительной мере смягчить эти проблемы.

Так, необходимость максимально эффективного теплоотвода заставила весьма взыскательно отнестись к выбору материала газоразрядных трубок. Традиционный термостойкий материал - плавленый кварц - выдерживает не более 500 часов работы. Значительно лучшие результаты обеспечивают керамические материалы, в частности, бериллиевая керамика (BeO). Активные элементы с разрядными каналами из BeO имеют срок службы до 5 тыс. часов, что сравнимо с неон-гелиевыми лазерами.

Но срок службы удлиняется не только за счет выбора материала. Чтобы уменьшить число столкновений ионов со стенками трубки, ее помещают в продольное магнитное поле - в соленоид, соосный с оптической осью. Сильное магнитное поле не только оберегает стенки трубки, но и увеличивает КПД накачки, заставляя ионы чаще сталкиваться и лучше возбуждаться.

Катофорез (диффузия ионов на катод) компенсируется не менее остроумным способом: газоразрядная трубка снабжается обводным каналом, обеспечивающим циркуляцию газа и тем самым «обманывающим» диффузию: ионы как бы «утаскиваются» из-под катода и перетекают в прианодную область. Правда, здесь сразу же пришлось натолкнуться на неприятность: при поджиге разряд легче зажечь по обводному каналу, а не по рабочему промежутку (диаметр обводного канала значительно больше), что, конечно недопустимо. Поэтому приходится делать обводной канал с длиной, существенно превышающей длину основного канала. Обычно это реализуется в виде спиральной трубки из кварца, окружающей разрядный промежуток. Итак, излучатель аргонового лазера, схематично изображенный на рисунке 8.8, имеет довольно сложную конструкцию.

Наибольшее распространение получили Ar + -лазеры непрерывного действия с уровнем выходной мощности от 1 до 20 Вт (на всех линиях от 451,5 до 514,5 нм). Такой «частокол» линий (10) не всегда удобен, поэтому часто Ar + -лазеры снабжаются дисперсионными элементами (призмы, дифракционные решетки). Если говорить о рекордных уровнях мощности Ar + -лазеров, то в непрерывном режиме они могут достигать сотен Вт, но в медицине такие монстры не применяются.

Тепловая нагрузка на активный элемент может быть существенно снижена в импульсном режиме, вплоть до отказа от водяного охлаждения. Такие лазеры представляют несомненный интерес для медицины (подробнее об этом в разделе 4). Однако в импульсном режиме для аргоновых лазеров мощную конкуренцию составляют лазеры на твердом теле, работающие на второй гармонике, а также волоконные лазеры, существенно превосходящие и те, и другие по большинству эксплуатационных характеристик.

ЛИТЕРАТУРА к лекции 8.

1. Н.В. Карлов. «Лекции по квантовой электронике».

2. У. Беннет. Газовые лазеры (обзор).

3. O. Звелто. «Принципы лазеров».

4. В.С. Летохов, В.П. Чеботаев. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения.―М., 1990, 512 с.

5. В.Е. Привалов//Лазер-Информ, 2006, № 19-20, с.5.

6. П.С. Крылов, В.Е. Привалов//Письма в ЖТФ, 2005, 31 , вып. 5, с.7.

7. Райзер Ю.П. // Соросовский образовательный журнал, 1997, N o 8, с. 99–104.

Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой плотности (~10 3 А/см 3).

Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4p) и нижним (4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4p, имеющий по сравнению с уровнем 4s большее время жизни, заселяются ионами аргона в результате их столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5p. В то же время уровень 5p, обладающий очень коротким временем жизни, быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5p, 5s, 4p состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515.

В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (~0,1 %) и большая потребляемая мощность (3…5 кВт).

Схема принципиального процесса генерации верхних лазерных уровней приведена на рис. 6 на примере аргона. В результате соударения электронов ионизируется атом аргона. Далее, после столкновения второго рода, ион аргона возбуждается в верхний лазерный уровень. Другие механизмы возбуждения заключаются в том, что населенность создается за счет распадов излучения вышележащих уровней либо электронно-столкновительное возбуждение проистекает из более глубоких метастабильных состояний иона аргона. Как предполагается, все три процесса вносят существенный вклад в заселенность верхнего лазерного уровня, причем, например, на долю каскадных переходов из вышележащих уровней приходится от 25 до 50%.

Рис. 6.

Рис. 7. Энергетические уровни и процесс накачки у аргонового лазера. (ArII есть спектроскопическое обозначение для иона Аr +)

Как видно из рис. 7, верхний лазерный 4p-уровень 35,7 эВ располагается над основным состоянием атома аргона, а 20>В - над ионом аргона. Таким образом, возбуждению могут способствовать только обладающие большой энергией электроны с получением невысокой квантовой эффективности порядка 10%. Эти данные относятся к основному состоянию иона аргона, так как он может вновь возбуждаться в разряде. Нижний лазерный 4y-уровень быстро опустошается в результате излучательного перехода (72 нм) с временем жизни 1 нс. В сравнении с этим, время жизни в верхнем 4p-состоянии продолжительнее на 10 нc. Короткое время жизни на нижнем лазерном уровне обеспечивает совсем небольшую населенность, вследствие чего инверсия может осуществляться, несмотря на относительно слабое возбуждение верхнего лазерного уровня.

Так как состояния 4р и 4S расщеплены, образуется большое число лазерных переходов с разными интенсивностями. На рис. 8 показано 10 лазерных линий, самые интенсивные из которых находятся в диапазоне длин волн 488,0 нм (синяя) и 514,5 нм (зеленая). В коммерческих лазерах достигаются мощности этих линий более 10 ватт (см. таблицу 1).

Рис. 8.

По причине двухступенчатого электронно-столкновительного возбуждения мощность аргонового лазера возрастает почти квадратично току. Для аргонового лазера высокой мощности обязательны, в силу необходимой ионизации и возбуждения, большие токи на малых поперечных сечениях. Безусловно, это потребует гораздо более серьезных, по сравнению с гелий-неоновыми лазерами, технологических затрат.

При дальнейшем повышении плотности тока аргон может быть ионизирован дважды. Для этого требуется энергия в 43 эВ. Примерно на 25-30 эВ выше основного состояния Аr2+ существуют дальнейшие лазерные уровни, которые генерируют ультрафиолетовое излучение с 334, 351 и 364 нм. У лазеров в специальном исполнении мощность может составлять несколько ватт. Такие ультрафиолетовые аргоновые лазеры довольно дороги, ибо для них требуется специальная оптика, а также обязательны повышенные плотности тока и сильные магнитные поля.

Таблица 1. Мощность ионного аргонового лазера 20 Вт при разных линиях излучениях

В случае ионных лазеров, речь идет о газоразрядных системах, близких к лазерам с атомарными газами. Ион есть атом, у которого один или несколько электронов обычно освобождены из внешних орбит. Поэтому ион заряжен положительно, причем этот заряд соответствует одному или нескольким элементарным зарядам. Оставшиеся электроны могут возбуждаться так же, как в атоме, и генерировать излучение при переходе в основное состояние либо иные возбужденные состояния. Здесь возможны точно такие же лазерные переходы, что и в атомах. Поскольку каждому атому принадлежит несколько ионов, то в силу их существования возникает множество дополнительных лазерных линий.

Ионы образуются в каждом газовом разряде в результате столкновения электронов, возбужденных атомов или других ионов с атомами, вследствие чего атомы "ионизируются". Кроме того, в газовом разряде ионы возбуждаются вследствие разных процессов столкновения с электронами или другими частицами, так что газовые разряды, наряду с атомными переходами, также генерируют излучение посредством электронных переходов в ионах.

Ионы могут формироваться не только в результате электрических разрядов, но и в плазмах, инициированных лазерным излучением. С этой целью пучок импульсного высокомощного лазера наводится на неподвижную мишень, которая начинает испаряться. На основе большой плотности подводимой энергии образуются электроны и ионы, причем достигается очень высокая степень ионизации, то есть многие электроны отделяются от атомов. Такие ионы излучают коротковолновой свет и пригодны для создания рентгеновских лазеров.

Ионы могут присутствовать также в твердых телах в виде модулей кристаллической решетки либо так называемых примесных центров. Они обладают даже устойчивой формой, в то время как для ионов в газовых разрядах и других плазмах характерна рекомбинация с электронами, что вновь приводит к образованию атомов. Такие примесные ионы являются основой для создания важнейших типов твердотельных лазеров.

1.1 Лазеры для коротковолновой области

Энергетические состояния Еп самого крайнего ("излучающего") электрона иона могут быть приблизительно описаны на примере близкой к водороду модели, согласно которой заряд атомного ядра за вычетом заряда внутренних электронов дает эффективное (зарядовое) атомное число Z. Согласно этой упрощенной модели, оптический электрон движется в поле точечного заряда, так что энергетические состояния - в соответствии с теорией атома водорода Бора - выражаются через:

Еп = -(13,6эВ) Z2/n2, (1)

где n есть главное квантовое число или, соответственно, номер орбиты.

Уравнение (1) и рис. 1 показывают, что электронная энергия ионов (Z>2) превышает электронную энергию атомов (Z=1). Это объясняется тем, что из-за более высокого эффективного заряда атомного ядра оптический электрон в ионе связан сильнее, чем в атоме. Уравнение (1) можно признать точным только в отношении Н (атом водорода, Z=1), Не + (положительный однозарядный ион гелия, Z=2), L ++ (двухзарядный ион лития, Z=3) и других полностью ионизированных атомов. Но и в случае других ионов можно наблюдать, что энергия электронов в среднем возрастает со степенью ионизации.

Рис. 1. Энергетические состояния электрона в атоме водорода (Н) и атоме гелия (Не +)

Генерация лазерного излучения происходит обычно между возбужденными состояниями атомов и ионов, так как инверсия относительно основного состояния создается лишь с большим трудом. Переходы между возбужденными состояниями в атоме водорода дают длины волн преимущественно в видимой и инфракрасной областях спектра. То же касается и более сложных нейтральных атомов. В сравнении с этим, генерация коротковолнового, ультрафиолетового излучения возможна посредством переходов в возбужденных состояниях ионов, как это видно из рис. 1 для гелия. С атомами более высокой степени ионизации можно, согласно уравнению (1), получить еще более короткие волны. В дополнение к вышесказанному следует отметить, что атом гелия и ион Не ++ до сих пор считаются не слишком подходящими для генерации лазерного излучения и приведены здесь исключительно в качестве наиболее простых примеров рассмотрения спектральных свойств излучения атомов и ионов.

Более успешная генерация коротковолновых областей ионными лазерами (по сравнению с атомными лазерами) отчетливо проявляется также при параллельном рассмотрении ионного аргонового и гелий-неонового лазеров. Этот атомный лазер дает красную и зеленую линии, в то время как ионный аргоновый лазер генерирует зеленую, синюю и ультрафиолетовую линии.

В заключение можно констатировать, что ион в среднем излучает более короткие волны, чем атом. Еще один путь генерации волн с длиной короче, чем у атома, состоит в применении молекул. Дело в том, что молекулы обладают такой же энергией электронов, что и атомы, но в результате колебаний основное состояние расщепляется или даже ставится нестабильным, как при эксимерах. И тогда возможны лазерные переходы с большой энергией, соответствующей примерно энергии перехода в атоме водорода серии Лаймана.

1.2 Ионные лазеры на инертном газе

С помощью ионизированных инертных газов Ne, Аr, Кr и Хе в газовых разрядах на более чем 250 линиях в спектральном диапазоне от 175 до 1100 нм достигается генерация лазерного излучения. При этом, как правило, чем выше состояние ионизации, тем короче длины волн и тем больше энергия фотонов, поскольку отмечается все более сильная связь оптических электронов (см. п. 1.1). Некоторые из лазерных линий возникают из переходов в инертных газах, иногда многократно ионизированных. Столь высокое состояние ионизации с необходимой плотностью ионов возможно только в импульсном режиме.

Особое значение имеют непрерывные лазеры (cw) в инертных газах, однократно и двукратно ионизированных. Главным представителем такого типа является ионный аргоновый лазер, который в специальных исполнениях способен генерировать мощности выше 100 Вт в сине-зеленой области спектра и до 60 Вт в ближней ультрафиолетовой области. Это один из самых популярных лазеров коммерческого назначения. Криптоновый лазер с непрерывными (cw) мощностями в несколько ватт расширяет область спектра почти до инфракрасной зоны. Самые интенсивные линии непрерывно действующих ионных лазеров показаны на рис. 2

Ионные аргоновые лазеры

Схема принципиального процесса генерации верхних лазерных уровней приведена на рис. 3 на примере аргона. В результате соударения электронов ионизируется атом аргона. Далее, после столкновения второго рода, ион аргона возбуждается в верхний лазерный уровень. Другие механизмы возбуждения заключаются в том, что населенность создается за счет распадов излучения вышележащих уровней либо электронно-столкновительное возбуждение проистекает из более глубоких метастабильных состояний иона аргона. Как предполагается, все три процесса вносят существенный вклад в заселенность верхнего лазерного уровня, причем, например, на долю каскадных переходов из вышележащих уровней приходится от 25 до 50%.

Рис. 3. Энергетические уровни и процесс накачки у аргонового лазера. (ArII есть спектроскопическое обозначение для иона Аr +)

Как видно из рис. 3, верхний лазерный 4p-уровень 35,7 эВ располагается над основным состоянием атома аргона, а 20>В - над ионом аргона. Таким образом, возбуждению могут способствовать только обладающие большой энергией электроны с получением невысокой квантовой эффективности порядка 10%. Эти данные относятся к основному состоянию иона аргона, так как он может вновь возбуждаться в разряде. Нижний лазерный 4y-уровень быстро опустошается в результате излучательного перехода (72 нм) с временем жизни 1 нс. В сравнении с этим, время жизни в верхнем 4p-состоянии продолжительнее на 10 нc. Короткое время жизни на нижнем лазерном уровне обеспечивает совсем небольшую населенность, вследствие чего инверсия может осуществляться, несмотря на относительно слабое возбуждение верхнего лазерного уровня.

Так как состояния 4р и 4S расщеплены, образуется большое число лазерных переходов с разными интенсивностями. На рис. 4 показано 10 лазерных линий, самые интенсивные из которых находятся в диапазоне длин волн 488,0 нм (синяя) и 514,5 нм (зеленая). В коммерческих лазерах достигаются мощности этих линий более 10 ватт (см. таблицу 1).

Рис. 4. 4p->4s - переходы аргонового лазера

По причине двухступенчатого электронно-столкновительного возбуждения мощность аргонового лазера возрастает почти квадратично току. Для аргонового лазера высокой мощности обязательны - в силу необходимой ионизации и возбуждения - большие токи на малых поперечных сечениях. Безусловно, это потребует гораздо более серьезных - по сравнению с гелий-неоновыми лазерами - технологических затрат.

При дальнейшем повышении плотности тока аргон может быть ионизирован дважды. Для этого требуется энергия в 43 эВ. Примерно на 25-30 эВ выше основного состояния Аr2+ существуют дальнейшие лазерные уровни, которые генерируют ультрафиолетовое излучение с 334, 351 и 364 нм. У лазеров в специальном исполнении мощность может составлять несколько ватт. Такие ультрафиолетовые аргоновые лазеры довольно дороги, ибо для них требуется специальная оптика, а также обязательны повышенные плотности тока и сильные магнитные поля.

Таблица 1. Мощность ионного аргонового лазера 20 Вт при разныхлиниях излучениях

Конструктивное исполнение

Для эффективного возбуждения линий Аr + в разряде требуется плотность электронов 10 14 см -3 . Эта величина достигается при плотности тока до 10 3 А·см 2 в дуговых разрядах низкого давления. Напряженность поля вдоль разряда составляет порядка 4 В см -1 . Температура нейтрального газа может достигать 5·10 3 К. Высокие плотности мощности требуют значительных технических затрат при конструировании лазерных трубок. В большинстве случаев речь идет о керамической трубке с водяным охлаждением, например, из ВеО - вещества, обладающего высокой теплопроводностью, почти как у алюминия. В других вариантах исполнения разряд проводится через снабженные отверстиями вольфрамовые диски, отводящие тепло на трубку посредством держателей из меди (рис. 5). Сегодня в большинстве случаев находят применение трубки именно из ВеО. Так как порошок ВеО сильно ядовит, утилизация таких трубок требует максимальной осторожности с привлечением специализированных организаций.

Рис. 5. Газоразрядная трубка для ионного аргонового лазера

Благодаря своей высокой плотности электроны отжимаются радиально наружу, что приводит к понижению плотности тока. Этот эффект компенсируется sa счет внешнего магнитного поля, создаваемого с помощью длинной катушки вокруг лазерной трубки. На электроны воздействует лоренцева сила, направленная перпендикулярно оси и радиальной составляющей движения. В результате этого движение из радиального направления отклоняется на круговую или спиральную траекторию, и разряд концентрируется как раз на оси. Это смягчает влияние плазмы на материалы лазерной трубки, что значительно повышает срок ее службы. Дополнительно увеличиваются скорость накачки и коэффициент полезного действия лазера. Высокие токи берутся из обогреваемых напрямую запасных катодов, а анодами могут служить охлажденные конструктивные элементы из мели.

При наличии больших токов в разряде происходит передача импульсов от электронов газу, и осуществляется дрейф газа в сторону катода. Для выравнивания возникающих градиентов давления вдоль трубки в медных дисках выполняются специальные отверстия. Газ в ионном лазере истощается, ибо разряд гонит ионы прямо в стенку. У коммерческих лазеров эта потеря газа компенсируется автоматически - из присоединенного резервуара. Давление газа находится на уровне 1 - 100 Па, причем, в отличие от многих других типов лазеров, здесь используется не смесь газов, а чистый аргон.

В отличие от гелий-неонового лазера, экранирующие эффекты не играют роли в создании инверсии населенностей, и здесь возможна лазерная трубка большого диаметра. Коэффициент усиления для линии 488 нм при длине 50см примерно составляет: G= 1,35. С учетом качества пучка его диаметр ограничивают величиной от 1,5 до 2 мм. Коэффициенты полезного действия здесь обычно менее 10 -3

Благодаря применению лазерных зеркал с отражением в широком диапазоне одновременно достигается излучение на разных линиях. Для селекции отдельных длин волн используется брюстеровская призма в лазерном резонаторе. Во избежание потерь отражения при такой призме лучи падают на призматические поверхности под углом Брюстера (это угол полной поляризации). Другая сторона призмы ориентирована перпендикулярно пучку лазера, преломляемого на первой поверхности. Вертикальная задняя поверхность имеет высокое зеркальное покрытие. В зависимости от длины волны имеет место разное отклонение пучка в первой поверхности. Путем поворота призмы могут устанавливаться различные линии. Типовые мощности для коммерческого лазера 20 Вт с селекцией по длинам волн и без таковой представлены в таблице 1. Из-за высокой температуры в области разряда ширина линии составляет - по причине доплеровского уширения - до 6 ГГц. Без частотно-селективных элементов длина когерентности находится в сантиметровом диапазоне. Для применения в сфере голографии это значение увеличивается с учетом внутрирезонаторного эталона. В этом случае ширину полосы можно сократить до 5 МГц. Почти все коммерческие лазеры на инертном газе генерируют на основной ТЕМ 00- моде. Несмотря на значительную нагрузку трубки со стороны высоких токов, ее срок службы достигает многих тысяч рабочих часов.

Ионные криптоновые лазеры

Разрядная трубка для криптоновых лазеров по своей конструкции очень похожа на трубку аргонового лазера. Но так как здесь во время работы газ истощается быстрее, чем у аргонового лазера, придется позаботиться о газовом резервуаре большей емкости. Самая интенсивная линия криптонового лазера находится на уровне 647 нм (красная) с мощностями в несколько ватт. Интенсивность прочих линий в значительной мере зависит от давления. Поэтому лазеры, допускающие селекцию отдельных линий, располагают активным контролем давления. Линии лазера Кr + лежат между 337 и 799 нм (рис. 2). Умеренный кпд ионного лазера на криптоне требует более высокой плотности тока, чем это имеет место у аргонового лазера идентичной мощности. Дополнительно следует упомянуть усиленное рассеяние, поскольку ионы Кr тяжелее и обладают большей энергией. Поэтому большинство лазеров этого типа охлаждается водой, в то время как ионные аргоновые лазеры меньшей мощности обходятся воздушным охлаждением.

Области применения

Ионные лазеры на инертных газах относятся к разряду стандартных устройств для видимого непрерывного излучения в диапазоне от нескольких милливатт до 50 ватт. Особое значение аргоновые и криптоновые лазеры имеют при этом в красной и сине-зеленой областях спектра. Эти лазеры находят применение везде, где He-Ne- и He-Cd-лазеры оказываются недостаточно мощными. Особенно важным представляется их использование при лечении глаз в целях обработки сетчатки и для других медицинских целей. Среди прочих областей применения можно назвать полиграфическую промышленность (для экспонирования, изготовления видео- и аудиодисков), высокоскоростные лазерные принтеры, а также голографию. В результате смешения аргона и криптона получаются линии между красным и синим, которые могут смешиваться до достижения белого цвета: такие лазеры весьма популярны в создании разнообразных лазерных шоу. Кроме того, ионный аргоновый лазер используется для накачки лазеров на красителях и титан-сапфировых лазерных систем. При этом - путем соответствующей синхронизации мод - могут генерироваться импульсы в пико- и фемтосекундном диапазонах. Непрерывно перестраиваемые (сw)-лазеры также подлежат накачке с применением аргоновых лазеров.