6.3.1.2. Лазеры на парах меди и золота

На рис. 6.8 представлена общая схема участвующих в генерации энергетических уровней лазеров этого типа. Переход является разрешенным, а переход электродипольно запрещен. Таким образом, пользуясь борновским приближением, мы вправе ожидать, что сечение перехода за счет электронного удара значительно больше, чем сечение перехода Чтобы создать достаточную населенность верхнего лазерного уровня, высокая, как правило, скорость излучательного перехода должна быть уменьшена до значения, сравнимого со скоростью излучательного перехода Это означает, что плотность атомов должна быть достаточно высокой, чтобы стал возможным захват излучения на переходе Заметим, что поскольку переход является запрещенным, лазер

может работать только в импульсном режиме с длительностью импульса порядка или короче времени жизни уровня 2. Релаксация обычно происходит при столкновениях со стенками и вследствие межатомной дезактивации. Соответствующая скорость релаксации устанавливает верхний предел частоты повторения импульсов лазера.

Сделав эти предварительные замечания, мы покажем на рис. 6.9 участвующие в процессе генерации уровни энергии двух наиболее важных лазеров указанной категории, т. е. лазеров на парах меди и золота. С точки зрения электронной конфигурации уровни весьма схожи, поэтому мы ограничимся тем, что рассмотрим атом меди. Основное состояние атома Си соответствует конфигурации

Рис. 6.8. Общая схема энергетических уровней лазера на парах металла, работающего в режиме самоограничения.

Рис. 6.9. Уровни энергии атомов меди и золота, участвующие в лазерной генерации. Обозначение на рисунке соответствует ультрафиолету.

Когда внешний -электрон забрасывается на следующий, более высокий -уровень, возникают возбужденные уровни Эти уровни сильно связаны с основным состоянием электродипольно разрешенным переходом. Уровни соответствуют конфигурации имеющей более низкую энергию, а переходы электродипольно запрещены. Атомы меди из состояния быстро (время жизни порядка ) релаксируют посредством спонтанного излучения в основное состояние в то время как время релаксации уровней намного больше (около 0,5 мкс), поскольку этот переход разрешен слабо. Однако при температурах, которые

используются в медном и золотом так как золото является менее тегучим веществом) лазерах, давление паров достаточно высокое (0,1 мм рт. ст.), так что вследствие захвата излучения релаксации по каналу не происходит. Таким образом, единственный эффективный канал релаксации проходит через состояние Релаксация населенности уровня осуществляется посредством дезактивации на стенках, если внутренний диаметр трубки невелик см).

Рис. 6.10. Схематическое представление конструкции лазера на парах меди или золота (воспроизводится с любезного разрешения фирмы Oxford Lasers,

Для трубок больших размеров было показано, что важную роль играет сверхупругое столкновение . В обоих случаях соответствующее время релаксации очень большое (несколько десятков микросекунд).

Учитывая сказанное, из приведенной на рис. 6.8 общей схемы уровней следует, что генерация на парах Си может осуществляться как на переходе (зеленый), так и на (желтый). Генерация в парах золота происходит в основном на красном переходе, поскольку УФ-переход оканчивается на состоянии который при рабочей температуре в значительной степени заселен. Конструкция лазера на парах металлов основана на общей схеме, приведенной на рис. 6.10, причем пары металла заключены в трубку из окиси алюминия, которая теплоизолируется помещением ее в откачанный объем. Необходимая высокая температура в трубке обычно поддерживается

мощностью, рассеиваемой в трубке при прохождении повторяющихся импульсов тока. Анод и катод имеют форму кольцеобразных электродов и помещаются на концах трубки из окиси алюминия. В газовую смесь добавляется буферный газ (неон под давлением 25—50 мм рт. ст.) для обеспечения достаточной плотности электронов после прохождения разрядного импульса для того, чтобы обеспечить объемную дезактивацию нижнего лазерного состояния Добавление неона также способствует уменьшению длины диффузии паров Си и таким образом предохраняет (холодные) выходные окошки от высаживания меди.

Лазеры на парах меди работают со средней выходной мощностью до в импульсно-периодическом режиме с длительностью импульса порядка 50 нс и с частотой повторения импульсов до На сегодняшний день они являются наиболее эффективными лазерными источниками в зеленой области спектра. Этот относительно большой КПД связан как с высокой квантовой эффективностью медного лазера (55 %; см. рис. 6.9), так и с большим сечением перехода при электронном ударе. Крупная установка с примерно 50 параллельно работающими лазерами на парах меди используется на ведущем в США заводе по разделению изотопов Лазеры на парах меди также используются для многих научных применений и в некоторых промышленных приложениях (таких, как высокоскоростная фотография и подгонка интегральных резисторов). Лазеры на парах золота все больше применяются для лечения опухолей.