1.2. Краткий исторический обзор

В данном разделе мы подведем итоги исторического развития газовых лазеров, обращая особое внимание на успехи, достигнутые в понимании механизмов, которые можно использовать для заселения верхнего лазерного уровня и получения инверсии населенностей. Наиболее полный перечень газовых лазеров, известных на 1972 г., приводится в книге Уиллета [3], в которой так же, как и в настоящей книге, особое внимание уделено обсуждению механизмов возбуждения.

1.2.1. Лазеры с передачей энергии

Первый газовый лазер (гелий-неоновый) был предложен Джаваном [4] на основе тщательного изучения возможных механизмов возбуждения и дезактивации, которые могли бы привести к образованию инверсии населенностей в газовых смесях, возбуждаемых электрическим разрядом. Основной принцип создания инверсии (об экспериментальной демонстрации этого принципа Джаван и др. [5] сообщили двумя годами позднее) основан на процессе возбуждения атомов гелия при столкновениях с электронами разряда. Этот процесс переводит небольшую часть атомов гелия из основного состояния на метастабильные уровни Атомы гелия, находящиеся в этих возбужденных состояниях, могут сталкиваться с атомами неона, передавая им запасенную энергию, в результате чего селективно заселяются две группы уровней возбужденного неона: вблизи 20,6 эВ и вблизи 19,8 эВ. Поскольку реакции обмена энергией не приводят к заселению более низких уровней неона, между уровнями (в интервале эВ), между (в интервале эВ), а также между уровнями образуется локальная инверсия населенностей, необходимая для лазерной генерации. Анализ действия такого лазера и рассмотрение других кинетических процессов, необходимых для понимания его работы (например, с целью оптимизации кпд и получения непрерывной генерации), будут предметом обсуждения в большей части этой главы и последующих главах данной книги. Соответствующие исследования привели к созданию многочисленных газовых лазеров, работающих за счет передачи энергии от возбужденных атомов инертных газов.

Характерным примером другого типа лазеров, которые также используют процесс передачи энергии, является СО2-лазер. Известно, что самый нижний из возбужденных колебательных уровней молекулы N2 находится в резонансе с колебательным уровнем молекулы СО2. Следовательно, можно ожидать, что передача энергии при столкновениях молекул должна приводить к образованию инверсии населенностей между селективно заселяемым уровнем и более низко расположенными незаселяемыми уровнями. Лазерную генерацию, использующую этот принцип, независимо продемонстрировали Пател [6], а также Леге и Леге-Соммэр [7] при возбуждении молекул N2 электрическим разрядом. Для возбуждения молекул СО2 предлагались многочисленные альтернативные схемы, в том числе накачка электронным пучком, химическая, газодинамическая и оптическая накачки. Благодаря

высокому кпд (около 10%) и способности работать в непрерывном режиме при большой выходной мощности (более чем из всех газовых лазеров этот лазер наиболее детально изучен и достаточно хорошо разработан (см. гл. 8 настоящей книги). Разработка СО2-лазера привела к необходимости решения большого числа задач по физике атомных столкновений, а также послужила основой для дальнейшего понимания принципов действия лазеров и при подготовке специалистов по лазерам.

Рис. 2. Отдельные энергетические уровни в

С целью последовательного изложения рассмотрим основанный на принципе передачи энергии -лазер, который предложили Сирл и Харт [8], а также и др. [9]. В этом лазере (рис. 2) энергия передается от возбужденных атомов аргона на почти резонансное состояние Атомы аргона возбуждаются электронным пучком, что делает эту систему несколько похожей на эксимерные лазерные системы, которые мы обсудим ниже. Поскольку вероятность образования С-состояния молекулы N2

меньше единицы и в смесях высокого давления скорость тушения верхнего лазерного уровня велика по сравнению со скоростью опустошения нижнего лазерного уровня, реальный кпд -лазера оказывается не более 1% [10].

Другим играющим важную роль лазером, основанным на обмене энергией, является химический -лазер. Известно, что реакция в щелочном растворе, которая пока недостаточно хорошо понята, приводит к образованию состояний с большим выходом. При условии, что отношение достаточно велико, можно использовать процесс передачи энергии для создания абсолютной инверсии на переходе с длиной волны 1,315 мкм. Этот химический лазер, основанный на передаче энергии при электронном переходе, впервые разработан Мак-Дермотом и др. [11] и в настоящее время активно исследуется.