6.3.1. Лазеры на нейтральных атомах

В этих лазерах используются нейтральные атомы в виде газа или пара. Лазеры на нейтральных атомах составляют широкий класс, который включает в себя, в частности, лазеры, использующие почти все инертные газы (Не, Все лазеры на нейтральных атомах инертных газов генерируют в ИК-диапазоне (1—10 мкм), за замечательным исключением Не-Ne-лазера, излучающего в зеленой и красной областях. Большой класс лазеров составляют также лазеры на парах металлов, таких, как Эти лазеры, как правило, работают в видимой области. Наибольшее значение среди них приобрел лазер на парах меди, генерирующий на зеленом и желтом переходах. Все лазеры на парах металлов являются самоограниченными и поэтому работают в импульсном режиме.

6.3.1.1. Гелий-неоновые лазеры

Не-Ne-лазер [9, 10], вне сомнения, имеет наибольшее значение среди лазеров на инертных газах. Генерация осуществляется на переходах атома неона, а гелий добавляется в газовую смесь для существенного повышения эффективности накачки. Лазер генерирует на многих длинах волн, из которых наиболее известна линия с мкм (красная). Среди других линий — зеленая на длине волны и две линии в ИК-диапазоне с и 3,39 мкм. Гелий-неоновый лазер, генерирующий на переходах с мкм, был самым первым работающим газовым лазером, и на нем также была впервые продемонстрирована непрерывная лазерная генерация (Джаван с сотр., конец 1960 г. [11]).

На рис. 6.5 приведена упрощенная схема энергетических уровней Не и Уровни Не обозначены в соответствии с приближением связи Рассела — Сандерса, где первая цифра указывает также главное квантовое число данного уровня. Таким образом, состояние отвечает случаю, когда оба электрона Не находятся в состоянии с противоположно направленными спинами. Состояния 235 и отвечают ситуации, когда один из двух электронов заброшен в состояние и его спин соответственно параллелен или антипараллелен спину другого электрона. Атомное число неона равно 10, и в основном состоянии его десять электронов образуют конфигурацию Показанные на рисунке возбужденные состояния соответствуют ситуациям, в которых один из -электронов заброшен в возбужденное -состояние или возбужденное -состояние

Из рисунка очевидно, что в уровни 235 и 25 являются близкими к резонансу с и -состояниями Ne. Поскольку уровни 235 и 25 метастабильны (переходы запрещены в электродипольном приближении; более того, переход запрещен еще и с точки зрения изменения мультиплетности), Не в этих состояниях оказывается весьма эффективным средством для накачки и -уровней посредством резонансной передачи энергии.

Рис. 6.5. (см. скан) Уровни энергии Не и Ne, участвующих в работе гелий-неонового лазера.

Было установлено, что в Не-Ne-лазере этот процесс является доминирующим для получения инверсии населенностей, хотя накачка осуществляется также и за счет столкновений электронов с атомами Поскольку уровни атома могут быть значительно населены, они подходят на роль верхнего уровня лазерных переходов. Учитывая правила отбора, мы видим, что возможными переходами являются переходы в -состояния. Вдобавок и время релаксации -состояний

на порядок больше времени релаксации -состояний . Таким образом, выполняется условие непрерывной генерации (5.25). Наконец, следует заметить, что вероятность возбуждения электронным ударом из основного состояния на уровни вследствие меньших сечений взаимодействия значительно меньше, чем соответствующие вероятности возбуждения на уровни

Из сказанного выше следует, что генерацию в неоне можно ожидать между уровнями играющими роль верхних уровней, и являющимися нижними.

Рис. 6.6. Внутреннее устройство современного отлаянного гелпй-неонового лазера (воспроизводится с любезного разрешения Мель Грио).

На рис. 6.5 приведены некоторые наиболее важные лазерные переходы, образующиеся между этими уровнями. Конкретный переход, на котором будет осуществляться генерация, определяется длиной волны, при которой коэффициент отражения многослойного диэлектрического зеркала достигает максимума. Лазерные переходы уширены преимущественно благодаря эффекту Доплера. Например, на длине волны нм в соответствии с выражением (2.78) доплеровское уширение приводит к ширине линии порядка Из выражения (2.67) для сравнения можно оценить величину естественного уширения, что даст МГц, причем времена жизни соответственно и -состояний. Столкновительное уширение еще меньше естественного [например, для чистого неона МГц при давлении мм рт. ст.; см. (2.66)].

На рис. 6.6. показана основная конструкция Не—Ne-лазера. Разряд происходит между кольцеобразным анодом и большим катодом, имеющим форму трубки и поэтому выдерживающим

столкновения с положительными ионами. На большей части длины трубки разряд заключен в капилляр. Большой объем газа, окружающий капилляр, работает в качестве резервуара для пополнения смеси Не-Ne в капилляре. Если требуется поляризованное излучение, то внутрь трубки также вставляется пластинка под углом Брюстера. Зеркала лазера непосредственно впаяны в концы трубки. Чаще всего используется близкая к полусферической конфигурация, поскольку она легко юстируется, очень устойчива к несоосности и сразу дает генерацию в моде Единственный недостаток этой конфигурации состоит в том, что она не полностью использует объем плазмы разряда, поскольку размер пятна моды на плоском зеркале значительно меньше, чем на вогнутом (см. разд. 4.7.3). Однако если на рис. 6.6 плоское зеркало установить слева, то область с меньшим размером пятна почти полусферической -моды окажется за пределами капилляра, т. е. в области низкой инверсии.

Одна из наиболее характерных черт Не-Ne-лазера состоит в том, что выходная мощность не увеличивается монотонно с током разряда, а достигает максимума и затем уменьшается. Поэтому промышленные -лазеры снабжаются источником питания, рассчитанным только на оптимальный ток. Наличие оптимального тока плотностью (по крайней мере для переходов 0,633 и 3,39 мкм) связано с тем, что при высоких плотностях тока дезактивация метастабильных состояний (25 и 235) атома Не происходит не только посредством диффузии к стенкам, но и при сверхупругих столкновениях типа

Поскольку вероятность этого процесса пропорциональна плотности электронов а следовательно, и 3, полную скорость дезактивации можно записать в виде . В этом выражении постоянное число, характеризующее дезактивацию вследствие столкновений со стенками, тоже постоянное число) представляет собой вероятность процессов сверхупругих столкновений (6.2). Поскольку скорость возбуждения можно записать как где — снова постоянная, населенность уровня 25, установившаяся в результате равновесия между возбуждением и дезактивацией, дается выражением

где — населенность основного состояния атомов Не. Из этого соотношения следует, что населенность уровня атомов Не, а следовательно, и уровня атомов Ne, будет выходить на насыщение при высоких плотностях тока (рис. 6.7). Однако

экспериментально было обнаружено, что населенность нижнего лазерного уровня или продолжает расти с увеличением (вследствие непосредственной накачки атомов из основного состояния и каскадных излучательных переходов с верхних лазерных уровней; см. рис. 6.7). Таким образом, по мере увеличения плотности тока разряда разность населенностей растет до некоторого максимального значения, а затем уменьшается. Следовательно, усиление лазера, а с ним и выходная мощность будут иметь максимальное значение при некоторой конкретной плотности тока.

Рис. 6.7. Схематические зависимости населенностей верхнего и ннжнего лазерного уровней от плотности тока в гелий-неоновом лазере.

Кроме этого оптимального значения плотности тока Не-Nе-лазер имеет другие оптимальные рабочие параметры. В частности, к ним относятся:

1) оптимальное значение произведения полного давления газа на диаметр трубки (мм рт. ст.) и 2) оптимальное отношение давлений (примерно 5 : 1 для нм и для ). То, что существует оптимальное значение указывает на наличие оптимальной электронной температуры. Элементарная теория тлеющего разряда в положительном столбе дает фактически максвелловское распределение энергии электронов, температура которых зависит только от произведения [см. (3.4.1)]. Наконец, следует заметить, что согласно экспериментальным наблюдениям усиление при постоянном изменяется как Это нетрудно понять, если осознать, что при постоянном электронная температура остается неизменной. Следовательно, число всех процессов возбуждения за счет электронного удара просто сводится к числу атомов, которые могут быть возбуждены. А поскольку как верхний, так и нижний лазерный уровни в конечном итоге заселяются за счет электронного удара, разность населенностей, а значит, и усиление лазера прямо пропорционально давлению или величине при постоянном Поэтому диаметр капилляра стремятся сделать как можно меньше, но так, чтобы при этом не внести дополнительных дифракционных потерь для -моды. Таким образом,

большинство Не-Ne-лазеров работает с капиллярами диаметром около 2 мм и получающаяся в этих условиях выходная мощность на переходе 0,633 мкм может быть в пределах при длине трубки от 20 до 50 см. Выходная мощность на зеленой линии обычно в десять раз меньше. КПД Не-Ne-лазера на любом из его лазерных переходов всегда очень мал Главной причиной столь низкого КПД является малая величина квантовой эффективности лазера: из рис. 6.5 видно, что каждый элементарный процесс накачки требует затраты энергии около 20 эВ, в то время как энергия лазерного фотона не превышает 2 эВ.

Как мы показали выше, ширина линии (для перехода 633 нм) составляет около 1400 МГц. Поэтому генерацию в одной продольной моде можно осуществить, если применить достаточно короткий резонатор, у которого разность частот продольных мод сравнима с Фактически это условие означает, что см. В этом случае необходимо обеспечивать тонкую подстройку длины резонатора, чтобы получить совпадение частоты моды с центром контура усиления. Лазеры этого типа допускают высокую степень стабилизации частоты с помощью провала Лэмба и даже еще лучшая степень стабилизации получается при использовании обращенного провала Лэмба с применением поглощающей ячейки, содержащей 12912.

Генерирующие на красном переходе Не-Ne-лазеры широко используются для многих применений, где требуется маломощный пучок в видимом диапазоне (например, при юстировке, считывании изображений, в метрологии, голографии, при создании памяти на видеодисках).