§ 3. УСЛОВИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ

Явление уширения спектральной линии в газе при малом давлении объясняется прежде всего тепловым движением атомов и молекул и связанным с ним эффектом Доплера. Так называемая естественная ширина спектральной линии, обусловленная конечным временем испускания (см. гл. 3), много меньше доплеровского уширения. В общем случае уширение за счет соударений молекул невелико, особенно при малом давлении газа. Принимая, что спектральная линия в случае доплеровского уширения имеет гауссову форму, можно представить относительное усиление света в разрядной трубке в виде [2]

где полуширина равна

Здесь М — масса атома, — центральная частота линии-. Коэффициент усиления для центра линии можно выразить через коэффициент Эйнштейна

где населенности уровней 2 и статистические веса для рассматриваемого перехода. Условием усиления является неравенство

Очень выгодна система энергетических уровней, в которой накачка происходит на уровень 2, а в результате излучательного перехода атом оказывается в состоянии 1. В этом случае

где означает полную вероятность изменения населенности уровня В стационарном состоянии получаем

Из соотношений (8.19) и (8.17) находим

Время жизни атома в состоянии 2 связано с коэффициентом Эйнштейна следующим соотношением:

Из сопоставления соотношений (8.20) и (8.21) следует, что время жизни в состоянии 2 должно превышать время жизни в состоянии 1.

В гелий-неоновых газовых лазерах общие потери на рассеяние и поглощение в слоях диэлектрических зеркал порядка (в расчете на один проход резонатора). Поскольку коэффициент усиления света в разрядной трубке невелик, условия возбуждения лазерной генерации, вообще говоря, довольно критичны. Если обозначить потери энергии на один проход через то полные потери в резонаторе лазера составят [2]:

где Т — коэффициент пропускания зеркала. Чрезвычайно важно подобрать такое зеркало, которое обеспечило бы максимальную выходную мощность лазера. В стационарных условиях, когда с помощью электрического разряда в газе инверсия населенностей поддерживается на постоянном уровне, выходная мощность лазера равна

где — усиление в расчете на один проход, некоторая постоянная. В условиях генерации усиление уменьшено благодаря потерям внутри резонатора. Согласно (8.22), имеем

Положив находим оптимальное пропускание:

Легко убедиться из эксперимента, что усиление в разрядной трубке лазера приблизительно обратно пропорционально радиусу трубки:

Это обстоятельство не учитывали в 1960-1962 гг., когда тратили много усилий на поиски новых лазерных переходов. Первые разрядные трубки имели диаметр от 6 до 10 мм, что значительно ухудшало условия возбуждения лазера. Теперь большинство газовых лазеров работает с разрядными трубками диаметром от 1 до 2 мм. Пропускание выходного зеркала выбирают таким, чтобы оно соответствовало длине разрядной трубки, т. е. усилению в расчете на один проход. Обычно коэффициент пропускания составляет от 0,005 (в коротких лазерах) до 0,05 в Не — Ne-лазере длиной несколько метров.

В неоне обнаружено около 140 лазерных переходов. Они перекрывают спектральную область от 0,58 до 133 мкм. В настоящее время класс газовых лазеров на нейтральных атомах очень широк. Хорошими активными средами оказались такие газы (и пары), как и др.