§ 3. ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ

В 1969 г. Голдсборо 112] обнаружил вынужденное испускание в парах металлического кадмия. В однократно ионизованном кадмии была получена генерация на длинах волн 4416 и 3250 А с мощностями 200 и соответственно. Это открытие послужило началом целой серии работ по ионным лазерам на парах различных металлов. Прежде всего заслуживают упоминания результаты Сильваста [13] из фирмы «Белл телефон лэбораториз», США.

В лазерах на нарах металлов очень важную роль играет гелий в качестве буферного газа. Возбуждение верхних лазерных уровней активных ионов происходит в значительной степени при посредстве атомов гелия. Давление гелия в трубке составляет несколько мм рт. ст., в то время как давление паров металла значительно ниже — порядка мкм рт. ст. Вид одной из первых разрядных трубок Не — Cd-лазера представлен на рис. 9.8, а. На рис. 9.8, б показана разрядная трубка, усовершенствованная Сильвастом. В первом варианте металлический кадмий находился в маленьком кварцевом резервуаре, который нагревайся до температуры около 240 °С. В дальнейшем ионы кадмия в процессе электрофореза попадали на катод. Через некоторое Время после начала разряда в трубке устанавливается приблизительно равномерное распределение плотности ионов кадмия. Это распределение успешно удается наблюдать в светящейся трубке благодаря зеленой окраске кадмиевой плазмы. Во втором варианте конструкции Сильваста кадмиевые кольца размещались в трубке на расстоянии около 10 см друг от друга и разогревались непосредственно электрическим разрядом.

Сегментированный Не — Cd-лазер Сильваста и Шето генерировал световой пучок с длиной волны 4416 А и мощностью 10 мВт,

Рис. 9.8. Разрядная трубка гелий-кадмисвого лазера с центральным источником паров кадмия (а) и сегментированная конструкция Сильваста и Шето (б).

а также пучок ультрафиолетового излучения при мощности Разрядная трубка имела диаметр 2 мм и длину 26 см. Максимум излучения лазера наблюдался при токе разряда, равном 67 мА и давлении гелия 6 мм рт. ст. В сравнении с -лазером разрядный ток в трубке лазера на парах металла в несколько раз выше. На рис. 9.9 (на вклейке в конце книги) показан след пучка Не — Cd-лазера, разделенный пространственно с помощью призмы. Вскоре после открытия Голдсборо вынужденное испускание наблюдали в парах олова, цинка, свинца и селена.

Ионизация аргона или ртути не происходит непосредственно при соударениях с электронами, а обеспечивается соударениями II рода. Уже Пеннинг [14] заметил, что добавление в разрядную трубку с неоном небольших количеств аргона или ртути существенно влияет на снижение потенциала зажигания ртути (т. е. облегчает инициирование разряда). В указанных смесях ионы появляются даже при соударениях с медленными электронами.

Напомним здесь вкратце основные свойства этого процесса. Будем рассматривать соударения II рода. Если атомы X находятся в возбужденном состоянии X и если энергия возбуждения больше энергии ионизации атомов находящихся в контакте с атомами X, возможен следующий процесс:

Если возбуждение ионов пара металла имеет характер соударении Пеннинга, то коэффициенты усиления для линий 4416 и 3250 А должны удовлетворять соотношению

где коэффициенты относятся к центру доплеровски-уширенной эмиссионной линии (они определяют усиление излучения на единицу длины активной среды), а о — усредненное по скоростям эффективное поперечное сечение ионизации типа Пеннинга для верхнего лазерного уровня. Считая, что получаем

что хорошо согласуется с результатами экспериментов. Как показал Сильваст, возбуждение лазера на парах металла обеспечивается главным образом ионизацией типа Пеннинга.

Энергии ионизации неона и аргона составляют соответственно 21,5 и 15,7 эВ. Электрон с энергией около 16 эВ может ионизовать атом аргона следующим образом:

Таблица 9.3 (см. скан) Параметры некоторых лазеров на парах металлов

где через Ne обозначено метастабильное состояние селективного возбуждения неона. Непосредственные соударения атомов аргона с электронами маловероятны ввиду низкой концентрации аргона.

В Не — Cd-лазере возбуждение ионов лишь частично происходит при соударениях с электронами. Напомним, что концентрация ионов паров металла во много раз меньше концентрации ионов вспомогательного газа. Главную роль играют поэтому соударения второго рода с атомами гелия, находящимися в метастабильном состоянии:

В табл. 9.3. приведены важнейшие эмиссионные линии некоторых лазеров на парах металлов согласно Сильвасту. Например, в парах селена получена генерация на многих линиях. При токе разряда около 200 мА мощность лазерного пучка составляла около 30 мВт. Все наблюдавшиеся в селене лазерные переходы начинаются с уровня который почти совпадает с основным состоянием иона гелия. По мнению Сильваста, возбуждение почти всех линий селена обусловлено в основном процессом перезарядки, который Можно записать следующим образом:

Для паров цинка процесс перезарядки может протекать аналогичным способом:

или

и далее

Механизм возбуждения паров металлов, приводящий к лазерной генерации, продолжает оставаться предметом многочисленных работ. В некоторых случаях главную роль играет ионизация типа Пен-нинга, в других — процесс перезарядки.

В заключение приведем прекрасный пример возможностей лазеров на парах металлов. Это лазер, генерирующий белый свет [15]. На рис. 9.10 (на вклейке в конце книги) виден плазменный разряд в этом лазере, а также разделенные с помощью призмы три основных световых пучка (красный: 6360 и 6355 А, зеленый: 5378 и 5338 А и голубой: 4416 А). Лазер работает на парах кадмия с добавлением гелия в качестве вспомогательного газа. При Читающем напряжении 250 В и токе разряда 0,6 А выходная мощность пучка

Рис. 9.11. Детали полого катода лазера белого света [15].

Катод имеет форму флейты (flute-type hollow cathode). Металлический кадмий находится внутри медного капилляра.

Рис. 9.12. Зависимости мощностей цветных пучков лазера белого света от давления гелия (а) и температуры катода (б) [15].

белого света составляет 10 мВт. Лазер Фуджии и др. отличается довольно необычной конструкцией разрядной камеры. Она имеет форму флейты (рис. 9.11) и представляет собой полый катод, в котором существенную роль играют катодное темное пространство и отрицательное свечение. Катод выполнен из медной трубки длиной 80 см с внутренним диаметром 4 мм. В трубке имеется ряд отверстий, расположенных напротив вольфрамовых анодных проволочек. Катод помещен в оправу из пирекса. С помощью такого катода удалось получить излучение одновременно в красной, зеленой и голубой областях видимого спектра. На рис. 9.12 показаны зависимости мощностей отдельных пучков от давления гелия и температуры катода. Возможность регулировать интенсивность трех основных пучков позволяет получить в результате их смешения идеальный источник белого света.