1.9. Плазменные лазеры (рекомбинационная накачка)
Рекомбинирующая плазма как активная среда лазера.
Процессы рекомбинации при столкновениях свободных электронов с положительно заряженными ионами в плазме могут приводить к достаточно эффективному накоплению атомов (ионов) в возбужденных состояниях, т. е. могут в принципе использоваться для накачки лазерных переходов.
Обозначим через Т температуру электронной составляющей плазмы (электронная температура), а через Т — равновесную температуру, для которой степень ионизации совпадает с данной. Пусть 
— концентрации соответственно электронов и ионов. Скорость уменьшения 
за счет рекомбинационных электрон-ионных столкновений описывается уравнением
где 
— коэффициент электрон-ионной рекомбинации. Он растет с уменьшением электронной температуры Те по закону
— некоторая постоянная). Из (1.9.1) следует, что
где с учетом (1.9.2)
Чем меньше те, тем выше скорость рекомбинации и, как следствие, эффективнее накачка. Легко видеть, что рекомбинирующая плазма должна характеризоваться достаточно высокой концентрацией электронов 
и в то же время достаточно низкой электронной температурой 
. Плазма в рекомбинационном режиме — это плотная, высокоионизованная плазма, электроны которой «переохлаждены», так что выполняется неравенство
Как активная среда лазера рекомбинирующая плазма весьма привлекательна. В отличие от остальных активных сред она не изменяет своего агрегатного состояния при сколь угодно высокой плотности вводимой в нее энергии. Это открывает возможность для создания особо мощных лазеров. Кроме того, в рекомбинирующей плазме можно в принципе использовать лазерные переходы, попадающие в ультрафиолетовый и даже в рентгеновский диапазоны.
Свойства плазмы в рекомбинационном режиме радикально отличаются от свойств плазмы, используемой в газоразрядных лазерах (в последнем случае говорят о плазме в ионизационном режиме). Сопоставление этих свойств дано в табл. 1.4, где приведены характерные численные значения параметров плазмы.
Плазма в ионизационном режиме характеризуется менее высокой, чем в рекомбинационном режиме, концентрацией свободных электронов и обратным по сравнению с (1.9.5) соотношением между температурами 
. В рекомбинационном режиме электроны плазмы «переохлаждены»; в ионизационном они, напротив, «перегреты». Налицо отклонения от термодинамического равновесия в противоположные стороны.
Заметим, что для рекомбинационного режима характерно перемещение возбужденных атомов (ионов) сверху вниз по энергетической шкале; это способствует преимущественному возбуждению верхних уровней. В ионизационном
Таблица 1.4
же режиме заселение уровней обычно происходит в обратном порядке — снизу вверх, что увеличивает вероятность паразитного возбуждения нижних уровней.
