9.2. Газоразрядные ОКГ

Активная среда заполняет стеклянную или кварцевую трубку диаметром от миллиметра до десятков миллиметров. С помощью спая кварц — стекло — ковар в трубку введены электроды. При использовании высокочастотного разряда кольцевые электроды размещают снаружи. Коицевые окна трубки выполнены из плоскопараллельных пластин под углом Брюстера для уменьшения потерь на отражение на торцах. Трубку предварительно

Таблица 9.1 (см. скан) Процессы, протекающие в газоразрядном ОКГ

откачивают на вакуумной установке и заполняют хазом до давления от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба. Затем трубку располагают между зеркалами оптического резонатора, обычно конфокального типа, которые допускают юстировку с точностью минуты. Плоские зеркала должны быть отъюстированы с точностью секунд. По природе возбужденных частиц различают три типа газоразрядных ОКГ: атомные, ионные и молекулярные.

Процессы, протекающие в газовом разряде, перечислены в табл. 9.1.

9.2.1. Атомные газоразрядные ОКГ

Наиболее существенным механизмом заселения возбужденных состояний атомов в газовом разряде, как показал Джаван, является неупругое столкновение электрона с атомом — столкновение I рода. Поскольку в разряде существует некоторое распределение электронов по скоростям, то возможно возбуждение атомов до большого числа различных уровней. Однако эффективное сечение возбуждения больше для тех уровней, которые связаны с основным состоянием излучательными переходами. Столкновения I рода используют для генерации излучения в неоне, аргоне, криптоне и ксеноне, а также в парах металлов (в ОКГ на самоограниченных переходах). Последние названы так потому, что время жизни нижнего лазерного уровня больше времени жизни верхнего, т. е. нижний уровень является мета стабильным, и населенность его велика.

Инверсную населенность в такой системе можно создать за счет интенсивной накачки более высоких уровней. В результате генерация мощного излучения происходит в течение очень короткого промежутка времени. Для генерации в такой системе верхний лазерный уровень должен быть оптически связан только с основным и нижним лазерным уровнями.

Нижний лазерный уровень (метастабильный) не должен быть связан с основным состоянием. Вероятность спонтанного лазерного перехода должна быть меньше вероятности резонансного (приблизительно на но больше вероятности релаксационного Практически Для обеспечения высокого квантового выхода необходимо, чтобы нижний лазерный

уровень был достаточно близок к основному, но не ниже чем на чтобы отсутствовало заметное заселение его за счет температуры. Из химических элементов этим условиям лучше всего отвечают тяжелые металлы.

Впервые генерация на самоограниченных переходах была получена на парах свинца. Излучение с длиной волны около 0,723 мкм наблюдалось при переходе между уровнями и одним из уровней основной конфигурации Генерация излучения получена в кварцевой разрядной трубке длиной 60 см при давлении паров свинца мм рт. ст., т. е. при температуре Для того чтобы уменьшить перенос свинца за счет диффузии на холодные концы трубки, использовали буферный газ (гелий или неон). Возбуждение осуществляли разрядом конденсатора емкостью Длительность импульса излучения 100 нс. Выходная мощность на 10 см длины трубки.

На парах марганца получена генерация излучения на 5 зеленых и 6 инфракрасных линиях. При давлении мм рт. ст. начиналась генерация на линии мкм. С увеличением температуры усиление возрастало до максимального значения при . Мощность в импульсе составляла 300 Вт.

Самая высокая мощность излучения и к. п. д. генерации достигнуты на парах меди. Вследствие низкого давления паров меди температура разрядной трубки была Схема лазерных переходов атомов показана на рис. 9.1. Имеется два лазерных перехода с мкм и мкм.

Мощность излучения на линии 0,5105 мкм при диаметре трубки 5 см и длине горячей зоны 80 см достигала длительность импульса 16 не, частота следования 1 250 Гц. Коэффициент преобразования электрической энергии в когерентный свет составил 1,2%. Это максимальное значение для атомных систем.

Излучения по механизму самоограниченных переходов наблюдались также на парах золота мкм, переход

Другим важным механизмом возбуждения атомной системы являются столкновения II рода, под которыми

понимают передачу энергии при неупругом столкновении от возбужденного состояния атома одного газа возбужденному состоянию атома другого газа. Этот механизм эффективен лишь тогда, когда энергия метастабильного уровня одних атомов близка к энергии возбужденного уровня других атомов.

Рис. 9.2. Конструкция газового He-Ne ОКГ: 1, 7 — отражающие зеркала; 2 — устройство юстировки но вертикали; 3, 4, 5 — электроды; 6 — устройство юстировки по горизонтали; 8, 10 — окна; 9 — источник возбуждения,

Характерным примером такой системы являются гелий-неоновые лазеры, работающие в непрерывном режиме. Конструкция такого лазера показана на рис. 9.2, а схема переходов — на рис. 9.3.

Переход с излучением мкм был одним из первых переходов в газовой фазе, наблюдавшихся А. Джаваном в 1961 г. Генерация была получена в смеси

Заселение верхнего уровня неона достигалось за счет метастабильного уровня гелия

Наибольшее применение имеют ОКГ с излучением 0,6328 мкм. Заселение верхнего уровня происходит в основном в результате соударения II рода с метастабмльными атомами гелия Для этих ОКГ характерны низкие усиления (4—10% на и выходная мощность от нескольких милливатт до десятков милливатт.

Рис. 9.3. Схема переходов в He-Ne ОКГ.

Оптимальные соотношения гелия и неона в смеси от до Оптимальное давление наполнения зависит от диаметра трубки Опыт показал, что при соотношении достигается максимальная мощность излучения.

На работу гелий-неонового ОКГ помимо давления газовой смеси и соотношения основных компонентов большое влияние оказывает присутствие примесей посторонних газов. Как правило, добавки небольших количеств приводят к уменьшению коэффициента усиления, а при давлении или более 10-2 мм рт. ст. наблюдается даже срыв генерации [90]. Это влияние может быть объяснено понижением электронной температуры в разряде и связанным с ней уменьшением концентрации метастабильных атомов

гелия, что в свою очередь вызывает уменьшение заселенности верхнего лазерного уровня. Поэтому для обеспечения длительной работы гелий-неонового лазера необходимы не только высокая степень чистоты исходных газов (гелия и неона), но и отсутствие газовыделения со стенок и электродов во время работы ОКГ. Последнее достигается специальными режимами обезгаживания и тренировки газоразрядной трубки перед отпайкой. Некоторые примеси, выделяющиеся во время работы трубки, могут быть поглощены специальным геттером, изготовленным, например, на основе пористого титана.

Расходимость пучка света в гелий-неоновом ОКГ очень мала и близка к дифракционному пределу. В гелий-неоновом ОКГ достигнута самая высокая стабильность частоты (примерно ).

Высокая стабильность частоты излучения, малая расходимость пучка и простота конструкции обеспечили гелий-неоновым ОКГ широкое распространение, несмотря на низкую выходную мощность и низкий к. п. д.