§ 4. ГАЗОВЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ (ионные и на нейтральных атомах)

При рассмотрении ионного аргонового лазера и лазеров на парах металлов мы уже упоминали о том, что некоторые линии поддаются возбуждению в непрерывном и импульсном режимах, а некоторые — только в импульсном. Класс импульсных лазеров в настоящее время настолько широк, что требует отдельного рассмотрения. Лазерная генерация в газах в импульсном режиме получена по меньшей мере на нескольких сотнях длин волн, которью перекрывают диапазон от вакуумного ультрафиолета (около 1600 А) до субмиллиметровых волн (около 0,79 мм). В импульсном режиме могут работать как лазеры на нейтральных атомах, так и ионные, и молекулярные (см. гл. 10). Усиление света в разрядных трубках современных импульсных газовых лазеров достигает а пиковые мощности иногда составляют несколько мегаватт!

В общем случае инверсия населенностей соответствующих энергетических уровней в газе легче достигается в импульсном режиме, чем в непрерывном. Прежде всего мощность системы накачки может быть повышена на несколько порядков величины, и, кроме того, вообще не возникает проблемы перегрева активной среды, так как энергия единичного импульса накачки не должна быть большой.

Основное условие получения инверсии в импульсном режиме состоит в том, что вероятность лазерного перехода должна быть меньше полной вероятности релаксации населенности конечного состояния. В большинстве непрерывных газовых лазеров уменьшение населенности конечного состояния происходит в результате спонтанных переходов в основное состояние. В случае импульсного

лазера нет необходимости в быстрой релаксации конечного состояния. Таким образом, инверсия населенностей получается в условиях, часто встречающихся в газах и газовых смесях. Исчерпывающее рассмотрение импульсных газовых лазеров дано в обзоре Петраша 116].

КПД газового непрерывного лазера равен

Чнепр

— энергия кванта лазерного перехода, — энергия верхнего уровня, а — доля энергии накачки, затрачиваемая на заселение лазерного уровня. Уровень расположен высоко по отношению к основному эВ), поэтому отношение составляет около 0,1. Общепринятый способ возбуждения газа с помощью электрического разряда не является селективным; кроме лазерного, возбуждаются более высокие и более низкие уровни. Поэтому коэффициент очень мал, порядка нескольких процентов. Следовательно, Например, в Не — Ne-лазере (в непрерывном режиме) мощность питания составляет а выходная мощность — лишь несколько милливатт.

Если газ находится в атомарном состоянии, то в процессе разряда большая часть энергии расходуется на возбуждение первого резонансного состояния (известный эксперимент Франка — Герца). Этот эффект особенно ярко выражен в парах ртути. Первое состояние резонансного возбуждения характеризуется чрезвычайно высоким эффективным поперечным сечением при соударении с электроном. Если первое резонансное состояние является в то же время и лазерным уровнем, КПД лазера максимален. В этом случае конечное состояние метастабильно. Такая структура уровней оптимальна для получения лазерной генерации в импульсе. Она дает КПД лазера

где — статистический вес данного уровня, а отношение Отношение может быть велико для атомов с низкоэнергетической структурой уровней. Для резонансного возбуждения 0,5; следовательно,

На практике достаточно легко достигается КПД импульсного лазера около 10%. В импульсном режиме длительность оптической накачки должна быть сравнима с временем релаксации состояния инверсии. В табл. 9.4 и 9.5 указаны некоторые важнейшие лазерные переходы в газах в атомарном и ионизованном состояниях, на которых получена генерация в импульсном режиме. В парах сурьмы получено излучение с необычно короткой длиной волны 1504 А.

Недавно Вейнант [17] сообщил о получении вынужденного

Таблица 9.4 (см. скан) Некоторые квантовые переходы в парах металлов и газах, применявшиеся в импульсных лазерах на атомарных газах

испускания в полосе ниже 2000 А при электрическом разряде в трехкратно ионизованных атомах углерода Обнаружен переход между уровнями . В разрядную трубку лазера было добавлено небольшое количество гелия (от 20 до 50 мм рт. ст.). Необычно мощный электрический разряд в течение 1 не) происходил между электродами, установленными в поперечном направлении по отношению к лазерному пучку. Вынужденное испускание наблюдалось на длинах волн 1550,8 А и 1548,2 А при усилении около Благодаря столь высокому усилению

Таблица 9.5 (см. скан) Некоторые квантовые переходы в парах металлов, применявшиеся в ионных лазерах

света в области разряда система может работать даже без наружных зеркал.

Наконец, Ходжсон и Дрейфус [18] получили импульсную лазерную генерацию в водороде при давлении от 20 до 100 мм рт. ст., возбуждаемом электронным потоком. Наблюдалось излучение на следующих длинах волн: 1161, 1240, 1520 и 1615 А.

Генерация излучения в ультрафиолетовой области спектра, и особенно в области вакуумного ультрафиолета, затруднена из-за отсутствия соответствующих оптических элементов для конструкции лазера и больших трудностей в создании достаточно продуктивного источника накачки. Коэффициент усиления ультрафиолетового излучения очень мал. Приведем здесь краткий анализ генерации в ультрафиолетовой области спектра из работы Родеса [19]. В соответствии с известной формулой Шавлова и Таунса коэффициент усиления для центра рассматриваемой эмиссионной линии равен

где — значение электрического дипольного момента рассматриваемого перехода, — плотность инверсии, — ширина линии.

Примем для простоты, что квантовая система является двухуровневой. Пусть

где — населенности уровней, — степени вырождения. Обозначим через скорость оптической накачки системы (т. е. величину энергии накачки на частоте перехода в течение 1 с).

Положим

где

Релаксация возбужденных атомов (ионов) из верхнего состояния 2 в состояние 1 пропорциональна а на другие уровни пропорциональна Пусть статистический весверхнего уровня равен Тогда

Если время релаксации определяется главным образом спонтанными переходами типа 2-1, то оно пропорционально

где — некоторая постоянная, связанная с коэффициентом Эйнштейна, характеризующим процесс спонтанного испускания.

Теперь следует рассмотреть форму эмиссионной линии. Если линия уширена за счет эффекта Доплера, то Для радиационно уширенной линии Соответственно коэффициент усиления будет зависеть от частоты следующим образом:

формулы (9.7) ясно показывают, насколько велика должна быть энергия накачки при увеличении частоты излучения лазера. На преодоление порога возбуждения лазерной генерации существенное влияние оказывает также форма линии рассматриваемого перехода.

В заключение хотелось бы также обратить внимание на то довольно очевидное обстоятельство, что в каждом лазере на нейтральных атомах всегда имеются значительные количества возбужденных ионов. Они образуются в процессе электрического разряда, даже если ток разряда составляет десятки миллиампер. Энергетические уровни иона всегда выше соответствующих уровней нейтрального атома (см. рис. 9.7). Поэтому оптическая накачка в ионных лазерах, особенно импульсных, должна быть весьма интенсивной.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)