3.3. Электрическая накачка
Напомним, что электрическая накачка применяется в газовых и полупроводниковых лазерах. В данном разделе мы ограничимся рассмотрением лишь газовых лазеров, а обсуждение более простого случая, т. е. накачки полупроводникового лазера, отложим до разд. 6.6 (см. гл. 6).
Электрическая накачка газового лазера осуществляется пропусканием через газовую смесь постоянного, высокочастотного (ВЧ) или импульсного тока. Вообще говоря, ток через газ может протекать либо вдоль оси лазера (продольный разряд, рис. 3.16, а), либо поперек ее (поперечный разряд, рис. 3.16, б). В лазерах с продольным разрядом электроды нередко имеют кольцеобразную форму, причем, чтобы ослабить деградацию материала катода вследствие столкновений с ионами, площадь поверхности катода делается, как правило, намного больше, чем у анода.
Рис. 3.16. Наиболее часто используемая схема накачки на основе возбуждения газовым разрядом.
В лазерах же с поперечным разрядом электроды вытягиваются на всю длину лазерной среды. В зависимости от типа лазера применяются самые различные конструкции электродов (некоторые из них мы обсудим в гл. 6). Схемы с продольным разрядом используются обычно лишь для непрерывных лазеров в то время как поперечный разряд применяется как для накачки постоянным, так и импульсным и высокочастотным током. Поскольку поперечные размеры лазера обычно существенно меньше продольных, в одной и той же газовой
смеси напряжение, которое необходимо приложить в случае поперечной конфигурации, значительно ниже, чем напряжение для продольной конфигурации. Однако продольный разряд, когда он происходит в диэлектрической (например, стеклянной) трубке, как на рис. 3.16, а, позволяет получить более однородное и стабильное распределение накачки. В дальнейшем мы в основном ограничимся рассмотрением разрядов постоянного тока.
Рис. 3.17. Околорезонапсная передана энергии.
В электрическом разряде образуются ионы и свободные электроны, а поскольку они приобретают дополнительную энергию от приложенного электрического поля, они могут возбуждать при столкновениях нейтральные атомы. Положительные ионы благодаря своей большой массе ускоряются значительно хуже, чем электроны, и поэтому не играют сколько-нибудь существенной роли в процессе возбуждения. Поэтому электрическая накачка газа происходит с помощью одного из следующих двух процессов (или обоих этих процессов): 1) в газе, состоящем только из одного сорта частиц, возбуждение осуществляется лишь электронным ударом, т. е. в соответствии с процессом
где X — атом в основном состоянии, X — атом в возбужденном состоянии. Такой процесс называется столкновением первого рода; 2) в газе, состоящем из двух компонентов (скажем, А и В), возбуждение может осуществляться также и при столкновениях частиц разного сорта благодаря процессу, называемому резонансной передачей энергии (см. разд. 2.5 и рис. 2.12). Обращаясь к рис. 3.17, предположим, что частица В находится в основном состоянии, а частица А — в возбужденном благодаря электронному удару. Будем также считать, что разность энергий 
между этими двумя переходами меньше, чем 
Тогда существует заметная вероятность того, что после столкновения частицы А окажутся в основном состоянии, а частицы В — в возбужденном. Этот процесс можно записать в виде
где разность энергий 
в зависимости от своего знака будет либо добавляться, либо отниматься от энергии поступательного
движения. Процесс (3.28) особенно привлекателен для накачки частиц В в том случае, когда верхнее состояние частиц А является метастабильным (переход запрещен). В этом случае, как только частица А будет возбуждена на свой верхний уровень, она будет оставаться там в течение длительного времени и создавать тем самым резервуар энергии для возбуждения частиц В. Процесс этого типа, представленный выражением (3.28), называется столкновением второго рода.
