Лазер на гелий-неоне; механизм возникновения инверсии.

Лазер на гелий-неоне явился исторически первым газовым лазером [41]. Генерация происходит на переходах между уровнями нейтральных атомов неона. Наряду с неоном в состав активной газовой среды входит буферный газ — гелий.

Давление газовой смеси имеет порядок 1 мм рт. ст., причем парциальное давление гелия примерно в 5—10 раз выше давления неона. В лазере на гелий-неоне используется стационарный тлеющий разряд, возбуждаемый постоянным током.

На рис. 1.30 показаны основные переходы в активной среде гелий-неонового лазера. Здесь штриховые стрелки — переходы, связанные с электронным возбуждением или девозбуждением, непрерывные оптические переходы, пунктирная стрелка — переход, связанный с пристеночным девозбуждением, полукруглые стрелки — резонансная передача энергии возбуждения от атомов гелия к атомам неона. Изображенные на рисунке энергетические полосы для атома неона соответствуют, как и в случае аргонового лазера, определенным электронным конфигурациям и, следовательно, состоят из нескольких уровней (нескольких спектральных термов). На рисунке используются сокращенные обозначения электронных конфигураций (обозначения по Пашену): -полоса соответствует конфигурации

конфигурации 3s-полоса — конфигурации конфигурации 3р-полоса — конфигурации Все -полосы состоят из четырех уровней, а -полосы — из десяти.

Роль верхних рабочих уровней играют полосы а роль нижних рабочих уровней — полосы Основные рабочие переходы: , мкм — красная линия).

Инверсия в гелий-неоновом лазере возникает за счет того, что скорость заселения верхних рабочих уровней значительно выше скорости заселения нижних. Решающим фактором является при этом резонансная передача энергии от гелия к неону. Столкновение атома неона с атомом гелия, находящимся на уровне может привести к возбуждению одного из уровней атома неона в ; столкновение с атомом гелия в состоянии может привести к возбуждению уровня атома неона в -полосе. Процессу резонансной передачи энергии от гелия к неону благоприятствуют три обстоятельства: близость соответствующих энергетических уровней атомов гелия и неона, метастабильность уровней гелия (а следовательно, невозможность их релаксации за счет спонтанного испускания), более высокое давление гелия в газовой смеси (что уменьшает вероятность обратной передачи энергии — от неона к гелию).

Релаксация нижних рабочих уровней (полосы ) происходит за счет спонтанного испускания — с переходом атомов неона в полосу Спонтанные переходы в полосу с верхних рабочих уровней (полосы запрещены в дипольном приближении. Релаксация уровней в -полосе является «узким местом» в гелий-неоновом лазере; релаксация этих уровней происходит за счет процессов электронного девозбуждения, а также за счет столкновений атомов неона со стенками трубки. Последние процессы весьма существенны; недаром мощность генерации лазера на гелий-неоне обратно пропорциональна диаметру газоразрядной трубки.