§ 206. Газовые лазеры

Лазеры, или генераторы стимулированного излучения, представляют собой неравновесные системы с инверсной заселенностью уровней энергии, предназначенные для получения мощных световых потоков.

Частицы атомарного или молекулярного газа, находящегося в состоянии теплового равновесия, распределены по энергетическим уровням в соответствии с законом Больцмана, т. е. число частиц, находящихся на более высоком уровне энергии меньше числа более устойчивых частиц с энергией в раз. Нормально уровни энергии заселены таким образом, что чем выше уровень, тем он беднее частицами.

Но это относится к газу, к которому не подводится энергия. Если речь идет о газовом разряде, положение меняется. Распределение частиц по уровням энергии уже может не только не подчиняться закону Больцмана, но возможен и случай инверсии — верхние уровни окажутся более заселенными, чем нижние. Если мы подводом энергии (накачкой, подкачкой) добиваемся такого положения, то становится возможной конструкция лазера.

Понятно, почему инверсная заселенность является необходимым условием создания лазера. Прежде всего нас не интересует спонтанное излучение. Как указывалось выше, спонтанное излучение не направлено и не когерентно. Значит, речь идет о стимулированном излучении. Поскольку вероятности перехода частицы, в которую попадает фотон, вверх и вниз одинаковы, усиление стимулированного излучения возможно лишь в том случае, если верхний уровень будет более заселен, чем нижний.

Ситуация иллюстрируется схемой рис. 236. В невозбужденном состоянии частицы лазерного вещества находятся в основном на нижнем уровне (рис. 236, а). Когда начинается накачка, происходит инверсия заселенности (рис. 236, б). Какая-либо частица излучает спонтанно фотон, который способен стимулировать излучение других частиц. Эта деятельность фотона продолжается до тех пор, пока

фотон не поглотится частицей, находящейся на нижнем уровне (рис. 236, в).

Возможно осуществить лазеры, работающие в импульсном режиме: накачкой частицы подымаются на верхний уровень, а затем в очень короткий промежуток времени весь этот запас энергии отдается в форме стимулированного излучения.

Газовые лазеры работают в непрерывном режиме. Для этого надо располагать системой частиц, обладающих следующими особенностями. Накачка должна переводить частицы из основного состояния на верхний лазерный уровень. Эмиссия лазера состоит в переходе частиц с верхнего лазерного уровня на нижний.

Рис. 236.

С нижнего лазерного уровня спонтанным излучением система переходит в основное состояние.

Из этого описания ясно, что возбуждение не должно переводить частицы на нижний лазерный уровень. Кроме того, нижний уровень должен быстро освобождаться, т. е. время жизни в этом состоянии должно быть существенно меньше времени жизни на верхнем лазерном уровне.

Переход частицы с нижнего лазерного уровня в основное состояние не участвует в лазерном излучении. Это неизбежная потеря, и сделать ее меньше можно лишь одним способом, подбирая системы, у которых разница между энергиями верхнего и нижнего уровней велика по сравнению с разностью энергий нижнего и основного уровней.

Отношение энергии излучаемого фотона к энергии возбуждения является абсолютной максимальной эффективностью лазера. Разумеется, она много меньше практической эффективности, так как энергия накачки неизбежно тратится не только на подъем частицы на нужный верхний лазерный уровень.

В одном и том же газе могут существовать несколько возможных верхних и нижних лазерных уровней. Установление режима,

благоприятного для создания фотонов определенной энергии, т. е. для выделения двух уровней как верхнего и нижнего лазерных уровней, достигается конструированием лазера наподобие резонирующей полости. Если прибор представляет собой газоразрядную трубку с зеркалами у оснований колонны, то при помощи микрометрической подачи нужные фотоны отбираются варьированием длины колонны.

Рис. 236а. (см. скан)

Поскольку волны отражаются по нескольку раз от зеркал, то в благоприятных условиях находится лишь свет, целое число длин волн которого укладывается вдоль длины колонны.

Газовые лазеры, в которых подкачка энергии происходит электрическим разрядом, конструировались чуть ли не для всех

элементов. Было получено лазерное излучение с длиной волны от 0,2 до 133 мкм.

Большое распространение получили лазеры, веществом которых является смесь неона и гелия. Чаще всего создается близкий инфракрасный свет с длиной волны

Смеси газов используются в лазерах по следующей причине. В некоторых случаях газовым разрядом проще возбудить частицу которая соударениями передаст возбуждение частице чем непосредственно возбудить частицу В.

Мы опишем более или менее детально механизм работы наиболее мощного из известных сейчас лазеров, а именно лазера, работающего на углекислом газе.

Основная идея использования молекулярных газов заключается в возможности существенно повысить максимальную эффективность, используя в качестве верхнего и нижнего лазерных уровней колебательные уровни основного электронного состояния. Сравнение в этом отношении атомного и молекулярного лазеров иллюстрирует схема рис. 236а.

Виды колебаний молекулы были рассмотрены нами выше (рис. 231). Любое колебательное состояние характеризуется тремя квантовыми числами относится к симметричному колебанию к колебанию и к линейному асимметричному колебанию

Прежде всего исследователь должен выяснить времена жизни молекулы в разных состояниях. Эти времена могут отличаться на несколько порядков. Далее крайне существенны вероятности перехода на тот или иной уровень под действием ударов электронов.

Оказалось, что со всех точек зрения в качестве верхнего лазерного уровня пригоден уровень 001, а в качестве нижнего — 100 или 020. С этих уровней молекула переходит на уровень а затем уже возвращается в основное состояние. Схема этих переходов показана на рис. 2366, вращательные уровни не показаны, чтобы не загромождать чертеж. Как видно из схемы, лазер обладает высокой максимальной эффективностью 40 и 45% для излучений 10,6 и

Но велика не только абсолютная, но и практическая эффективность этой системы, так как электроны газового разряда в основном переводят молекулы на уровни Замечательно удобным обстоятельством является то, что возбуждения на любой уровень одинаково пригодны. Напомним, что колебательные уровни являются равноотстоящими. Поэтому столкновение молекул в состояниях и 000 дает молекулы в состояниях и 001. То есть в конечном счете возникают нужные молекулы, находящиеся на верхнем лазерном уровне.

Несмотря на то, что возбуждения на любой из уровней дают положительный вклад в действие лазера, все же электроны тратят большую энергию на ионные возбуждения молекул. Возбуждение

становится значительно более селективным при добавлении к молекул азота.

Азот обладает колебательным уровнем при основного электронного состояния при значении энергии, равном энергии 001 молекулы Это возбужденное состояние весьма долговечно, и молекула азота опускается на нулевой уровень в основном лишь одним способом, отдавая свою энергию молекуле в состоянии (см. схему на рис. 2366). Равноотстоящие колебательные уровни азота делают эффективными все его колебательные состояния (основного электронного уровня).

Рис. 2366.

Рассуждения, подобные вышеприведенным, не являются вполне строгими — слишком много факторов определяет практическую эффективность лазера. Однако они демонстрируют методологию поисков лазерных веществ. Все в конечном счете решает опыт. Скажем, если освобождение нижнего лазерного уровня происходит очень медленно, то целесообразно подмешивать другие газы. Поиск этих примесей в основном эмпирический, а результаты могут оказаться очень существенными. Например, при давлении газа молекулы в чистом виде испытывают примерно 100 соударений в секунду, освобождающих уровень. Соответствующие цифры при наличии гелия и воды и 100 000 соответственно.

До сих пор мы ничего не говорили о том, как влияет на мощность -лазера ротационная структура колебательных уровней. Если бы в излучении лазера участвовали переходы между всеми вращательными подуровнями, то излучение не было бы строго монохроматичным. Использованием одного тонкого эффекта, к описанию

которого мы переходим, удается заставить лазер работать на переходе между определенными подуровнями. Обычно используется 20-й уровень -ветви перехода (001) — (100), что дает пучок фотонов с длиной волны

При комнатной температуре средняя кинетическая энергия молекулы равна Расстояние между колебательными уровнями больше этой величины, а расстояние между вращательными уровнями меньше ее. По этой причине переходы молекул а тепловых столкновений с одного вращательного уровня на другой много чаще (10 миллионов в секунду) переходов между колебательными уровнями (1000 в секунду). Соответственно время жизни колебательного состояния а вращательного Таким образом, внутри вращательных этажей каждого колебательного уровня успевает установиться распределение Больцмана, соответствующее тепловому равновесию.

При этих условиях достаточно настроить колонну на определенный переход, чтобы сделать его доминирующим. Действительно, допустим выбран переход (22), т. е. переход с 21-го вращательного подуровня (001) на 22-й подуровень (100). По мере освобождения 21-го подуровня другие молекулы будут переходить с других вращательных подуровней на 21-й, чтобы сохранить распределение Больцмана. Таким образом поставленный в выгодные условия переход выигрывает соревнование с другими возможными переходами.

Эта особенность -лазера определяет его большие достоинства, способствуя высокой монохроматичности и позволяя также, хотя и в небольших пределах варьировать по желанию длину волны стимулируемого излучения.

Рис. 236в.

Большое время жизни колебательных состояний позволяет перевести -лазер в импульсный режим. Для этой цели одно из двух стационарных зеркал заменяется вращающимся зеркалом. Лазер приходит в действие каждый раз, когда вращающееся зеркало становится в нужное положение по отношению к стационарному зеркалу.

Если лазер дает постоянную мощность то в импульсном режиме он способен давать вспышками продолжительностью 150 не при скорости 400 вспышек в секунду.

-лазер изготовляют обычно в виде двухметровых трубок, через которые пропускают ток газа. Схема лазера показана на рис. 236в.

Возможности описанного лазера уже граничат с фантастикой. Фокусировка когерентного инфракрасного излучения лазера на площадь дает интенсивность при постоянном режиме и в импульсном. Тонкий лазерный луч, способный распространяться на большие расстояния, мгновенно прожигает дерево, в течение секунд проходит через сталь.

Лазерный луч может создать поля порядка 106 В/см, коренным образом меняющие свойства вещества. С открытием лазеров возник ряд новых направлений физических и технических исследований. Большой интерес представляет изучение взаимодействия света с длиной волны с полупроводниками, которые прозрачны для этой области спектра. О некоторых применениях лазеров мы говорили на других страницах книги.

Совершенно новые возможности для коммуникации с помощью лазеров составляют предмет специальных дисциплин и выходят за рамки учебника физики.