1.2.2. Лазеры с прямым возбуждением

Лазеры с прямым возбуждением верхнего лазерного уровня электронным ударом или другими способами на первый взгляд кажутся простыми устройствами, однако их практическая реализация вызывает трудности. Дело в том, что для этого необходимо найти такие частицы и процессы возбуждения, в которых селективно заселяются верхние лазерные уровни. Заселение состояния с меньшей энергией было бы преобладающим, если сечения различных процессов возбуждения были бы равны между собой. Если указанное требование не удается выполнить, то нужно искать способ селективной дезактивации нижнего лазерного уровня.

Аргоновый ионный лазер работает на переходах между возбужденными состояниями Этот лазер разрабатывали независимо Бриджес [12], Конвер и др., [13, 14], Беннетт и др. [15] и Гордон и др. [16]. Верхний лазерный уровень вблизи (энергия отсчитывается от основного состояния иона) может заселяться из основного состояния атома аргона в одноступенчатом процессе возбуждения и ионизации, а также в двухступенчатом процессе, включающем ионизацию

и последующее возбуждение

Аргоновый, криптоновый и другие лазеры на ионах инертных газов применяют, как правило, в лабораторных исследованиях с целью

накачки лазеров на красителях. Они обладают высокой мощностью в видимой и ультрафиолетовой областях спектра при работе в непрерывном режиме. К сожалению, из-за очень большой энергии верхнего лазерного уровня (35 эВ в а также из-за возникновения многих процессов возбуждения низколежащих уровней при столкновениях атомов инертных газов с электронами кпд этих лазеров невелик.

Возбуждение электронных состояний двухатомных молекул в процессе прямого электронного удара позволяет создать газовые лазеры с широким набором длин волн генерации. В таком лазере, впервые разработанном Матиасом и Паркером [17], рабочей молекулой является молекулярный азот. Эти авторы наблюдали генерацию на переходе в ближней ИК области спектра (рис. 2). В том же году Хирд [18] получил лазерную генерацию на ультрафиолетовом переходе Затем (в 1965 и 1966 гг.) Мак-Ферлэйн разработал лазеры с длинами волн генерации в диапазоне 3—4 мкм на переходах и [19, 20]. Среди лазеров такого типа лучше всего изучен лазер Как указал Джерри [21], верхний лазерный уровень заселяется в процессе возбуждения при столкновениях электронов с молекулами N2, находящимися в основном состоянии причем сечение этого процесса больше, чем сечение возбуждения колебательных состояний нижнего лазерного уровня Лазерная генерация осуществляется главным образом на переходе системы (вторая положительная система) на длине волны 337,1 нм. Этот лазер также находит большое применение в лабораторных исследованиях, главным образом для накачки мощных импульсных лазеров на красителях. В целом же -лазер характеризуется низкой энергией импульса (несколько миллиджоулей при длительности импульса в несколько наносекунд) и небольшим кпд (около что обусловлено накоплением частиц в процессе генерации на нижнем лазерном уровне, т.е. быстрым уменьшением инверсии населенностей (эффектом узкого горла).

Одновременно с разработкой -лазера проводилась также большая работа по созданию лазеров на различных переходах молекулы Первое сообшение о лазерной генерации в на полосе Ангстрема в видимой области спектра принадлежит Матиасу и Паркеру [22]. Генерацию ИК излучения на колебательных переходах основного состояния впервые наблюдали Пател и Керл [23]. За этим последовало сообщение Ходгсона [24] о создании лазера, работающего в области на полосе четвертой положительной системы молекулы Инфракрасный

СО-лазер, работающий в области длин волн 4,87-6,7 мкм, — один из наиболее эффективных; его кпд составляет более 20%. Достаточно сложная кинетика этого лазера (см. гл. 4 данной книги) определяется процессами возбуждения электронами верхних колебательных уровней, приводящими к генерации на ряде линий, по мере того как молекулы каскадно переходят на нижние колебательные уровни.

В целом ряде газовых лазеров используется молекулярный водород — одна из наиболее известных двухатомных молекул. Генерация в первом из этих лазеров, как показали Бажулин и др. [25], осуществляется в ближней ИК области на переходе Большой практический интерес представляют ВУФ-лазеры, работающие на полосах Лаймана [26, 27], а также на полосах Вернера нм) [28, 29]. Эти лазеры позволяют получить достаточную энергию ВУФ излучения для многочисленных лабораторных фотохимических экспериментов.

Рис. 3. Диаграмма энергетических уровней в лазере на парах меди.

Последний пример лазера с прямым возбуждением, который мы здесь рассмотрим, однако вовсе не последний в ряду лазеров, достойных рассмотрения, — это лазер на парах меди [30]. Как показано на рис. 3, в таком лазере атомы меди возбуждаются электронным ударом. При этом из основного состояния они переходят во второе возбужденное состояние Сечение прямого возбуждения нижнего лазерного уровня оказывается мноо меньше, чем

сечение возбуждения состояния Благодаря простой схеме энергетических уровней в этом лазере эффективно используется энергия электронов разряда для заселения верхнего лазерного уровня и получается достаточно большой кпд. Однако лазер на парах меди может работать лишь в импульсном режиме, поскольку процесс накачки должен прерываться на некоторое время, чтобы нижний уровень срелаксировал. Ограниченна также величина энергии, вкладываемая за один импульс в единицу объема. Это обусловлено тем, что коэффициент усиления для узкого, оптически разрешенного перехода очень большой, и поэтому, чтобы избежать паразитной генерации на поперечных модах резонатора, плотности возбужденных частиц должны быть невысокими.