16.3.3. Лазерные источники излучения на углекислом газе
Другим лазерным источником излучения, который легко можно изготовить в виде, пригодном для использования в оптической связи, является четырехуровневый газовый лазер на углекислом газе, работающий на длине волны 
Как и в большинстве газовых лазеров, верхний лазерный уровень заселяется прямо или косвенно за счет электронного возбуждения в газовом разряде. При низких давлениях, скажем, приблизительно 1/10 атмосферы (или 
может использоваться либо разряд, возбуждаемый постоянным током, либо радиочастотный тлеющий разряд. Самое важное заключается в том, чтобы получить однородный и непрерывный разряд во всем объеме активной среды. Для получения очень коротких лазерных импульсов (менее 1 не) были разработаны сложные методы накачки, связанные с использованием разрядов высокой мощности, а для получения очень высокой мощности в непрерывном режиме (более 
методы непрерывной накачки газового потока. В качестве источника излучения для целей связи самым подходящим оказалось компактное отпаянное устройство, способное давать от нескольких ватт до нескольких десятков ватт мощности в непрерывном режиме излучения в легко модулируемой форме. С этой целью был специально разработан конкретный тип волноводного лазера [16.4]. Схематически его конструкция изображена на рис. 16.8. Перед рассмотрением некоторых особенностей этой конструкции остановимся на физических основах работы лазера на углекислом газе.
В большинстве лазеров на 
используется смесь углекислого газа, азота и гелия в пропорции приблизительно 
соответственно. Существенную роль, которую играет азот в эффективном возбуждении верхнего лазерного уровня, можно видеть на упрощенной диаграмме электронных энергетических уровней, приведенной на рис. 16.9. Вверху диаграммы показан тип колебаний, связанный с рядом уровней.
(кликните для просмотра скана)
(кликните для просмотра скана)
Колебательные уровни азота являются метастабильными, в результате пего наиболее вероятный способ снятия возбуждения состоит в резонансной передаче при столкновении с находящейся в основном состоянии молекулой 
которая, таким образом, возбуждается до уровня 
. В результате может быть легко получена инверсия населенности между уровнем 
и уровнями 
или 
Следует отметить, что 
каждым колебательным уровнем связано большое количество близко Расположенных, высокоэнергетических вращательных состояний. В Результате могут возбуждаться многие лазерные переходы в области 
а также на близлежащих длинах волн. Близость лазерного энергетического уровня к основному наряду с высокой вероятностью возбуждения уровня 
делают 
лазер очень эффективным, причем вполне достижим общий КПД свыше 
Однако это является причиной ограничения выходной мощности, так как при нагревании газа уровень 
становится термически заселенным, что препятствует снятию возбуждения с нижнего лазерного уровня. Здесь более предпочтительным является гелий, так как за счет хорошей теплопроводности он способствует охлаждению разряда, а благодаря снятию возбуждения в результате столкновения молекул населенность нижнего лазерного уровня уменьшается быстрее. Достоинством гелия явпяется еще и то, что путем изменения его давления можно осуществлять некоторое управление распределением энергии электронов в разряде, а это может использоваться для получения максимальной скорости возбуждения на верхний энергетический уровень.
I Изображенный на рис. 16.8 лазер имеет внутренний канал трубки 
поперечным сечением 1,5 и длиной 
Электрический разряд «устанавливается при напряжении 
токе 
и давлении газа 
Па. При оптимальном выводе излучения получено 
лазерного излучения на выходе при КПД 9 %. Указанный вывод излучения осуществляется с помощью отражательной дифракционной решетки. Юна выполняет две функции: действует как поляризатор и дает возможность настраивать частоту лазерного излучения на один из 
скольких переходов на уровнях 
перекрывающих диапазон длин волн 
Нестабильность частоты здесь менее 
. С помощью электрооптического кристалла 
помещенного в оптический резонатор, может быть получена модуляция интенсивности, обеспечивающая скорость передачи данных 
Прикладываемое к модулятору напряжение изменяет плоскость поляризации излучения в резонаторе, а следовательно, и пропорциональную часть выводимой с помощью дифракционной решетки выходной мощности. Более эффективно использовать внутрирезонаторную, а не внешнюю модуляцию, которая требует меньших модулирующих напряжений.
