9. Газовые ионные лазеры
Естественным шагом вперед в развитии газовых лазеров было включение в число активных сред наряду с газами, состоящими из нейтральных атомов, также ионизованных и молекулярных газов. Молекулярные лазеры рассмотрены в следующей главе.
О достижении импульсной лазерной генерации в парах ртути 
II на длине волны 
первым сообщил Белл в 1964 г. [1]. В спектроскопии число, обозначенное римской цифрой, если его уменьшить на единицу, означает кратность ионизации. Таким образом символ 
обозначает пары ртути в атомарном негонизо-ванном состоянии, 
II — в состоянии однократной ионизации. В апреле того же года Бриджес [21, Конверт [31 и Беннет [41 сообщили о получении импульсной лазерной генерации в ионизованном аргоне. Генерация была обнаружена на многих линиях. Уже в первых экспериментах было замечено, что усиление света в разрядной трубке, заполненной аргоном, необычайно велико по сравнению с Не — Ne-лазером (см. рис. 9.1 на вклейке в конце книги); иногда оно достигает 200% на метр длины канала разряда, в особенности для интенсивных линий с длинами волн 4880, 5145 и 4765 А. Мошг ность излучаемого пучка достигала нескольких ватт в импульсе. В мае 1964 г. Гордон, Лабуда и Бриджес [5] получили непрерывную генерацию в аргоне. Они применили очень узкие кварцевые разрядные
Рис. 9.2. Схема разрядной трубки первых аргоновых лазеров.
Рис. 9.3. Типичный вид кварцевой разрядной трубки аргонового лазера с водяным охлаждением.
трубки (капилляры) с диаметром примерно от 1,2 до 2,5 мм и длиной до 100 см. Ток разряда в стационарном режиме составлял 15—30 А, давление аргона — несколько десятых долей мм рт. ст. Мощность пучка лазера, работающего в непрерывном режиме, составляла около 80 мВт. Схема более или менее типичной кварцевой разрядной трубки представлена на рис. 9.2, а рабочий вид трубки, созданной в отделе квантовой электроники Института физики Университета им. Адама Мицкевича в Познани — на рис. 9.3. Развитие ионных аргоновых лазеров происходило так быстро, что уже в конце 1964 г. были созданы лазеры мощностью 7 Вт в непрерывном режиме (в основном на линии 4880 А). Большим преимуществом аргоновых лазеров является то, что они излучают в коротковолновой области спектра. Голубое или зеленое излучение очень удобно, например, для исследований рассеяния света разных типов (рэлеевского, комбинационного, мандельштам-бриллюэновского). В то же время аргоновым лазерам присущ такой недостаток, как одновременная генерация нескольких спектральных линий. Однако получить монохроматическое излучение сравнительно несложно, введя внутрь оптического резонатора лазера дисперсионный элемент (например, призму). Способы установки призмы
Рис. 9.4. Способы установки призмы в резонаторе аргонового лазера для селекции нужной длины волны.
показаны на рис. 9.4. В первом случае призма припаяна к концу разрядной трубки вместо окна Брюстера. Зеркало оптического резонатора устанавливается перпендикулярно пучку с желаемой длиной волны. Капиллярная разрядная трубка очень интенсивно охлаждается водой, поскольку плотность тока достигает 500 А/см2. В мощных ионных лазерах кварц оказался недостаточно стойким материалом. В настоящее время разрядные трубки выполняют из керамики или графита. Следует обратить внимание на то, что Белл [6] в 
применил питание аргонового лазера током высокой частоты, т. е. безэлектродным способом, и получил мощность в импульсе порядка долей ватта. Весьма интересным и в то же время полезным эффектом является существенное увеличение мощности генерируемого пучка благодаря действию осевого магнитного поля на канал газового разряда [7]. Магнитное поле создается очень простым способом, с помощью соленоида из нескольких сотен витков, навитых
Рис. 9.5. а — зависимость выходной мощности аргонового лазера (для линии 4880 А) от силы тока разряда; 
— зависимость относительной мощности от осевого магнитного поля и давления аргона [8]. Длина трубки 28 см, диаметр - 4 мм, ток разряда — 
непосредственно на рубашку водяного охлаждения лазера. Соленоид соединяется последовательно с разрядной трубкой и охлаждается аналогично трубке. Типичное значение напряженности магнитного поля составляет несколько сотен эрстед. Зависимость выходной мощности лазера от напряженности магнитного поля имеет явно выраженный нелинейный характер и в значительной мере определяется диаметром капилляра, током разряда и давлением аргона. Для иллюстрации рабочих характеристик типичного аргонового лазера на рис. 9.5 приведены несколько зависимостей выходной мощности от некоторых параметров возбуждения [8]. Полагают, что осевое магнитное поле концентрирует электроны (и в значительно меньшей степени ионы) вблизи оси трубки. Это уменьшает их диффузию в направлении стенок и увеличивает число соударений. Плазма вблизи оси возбуждается сильнее, чем в периферийных областях, прилегающих к стенкам. Магнитное поле создает круговую поляризацию света в эффекте Зеемана, что ограничивает действие окон Брюстера, замыкающих разрядную трубку.
