ГАЗОВІ ЛАЗЕРИ

Загальні відомості

Газові лазери - найбільш широко використовуваний вид лазерів. Серед них можна знайти лазери такого типу, які будуть задовольняти майже будь-яку вимогу.

Особливості газових лазерів здебільшого обумовлені тим, що вони, як правило, є джерелами випромінювання атомних або молекулярних спектрів. Тому довжини хвиль переходів точно відомі. Вони визначаються атомної структурою і практично не залежать від умов навколишнього середовища. Генерація може бути здійснена в будь-якій частині оптичного діапазону - від УФ (~ 200 нм) до далекої ІЧ області (~ 0,4 мм), частково захоплюючи мікрохвильову область.

Розрідженість робочого газу забезпечує оптичну однорідність середовища з низьким коефіцієнтом заломлення, що дозволяє застосовувати просту математичну теорію для опису структури поперечних мод резонатора. Необхідно також відзначити, що лінії спонтанного випромінювання в газовому лазері найбільш вузькі (10 ~ 8 ... 10 2 А). Ширина лінії генерації газових лазерів мінімальна серед усіх видів лазерів і може складати десятки герц. Завдяки високій однорідності активного середовища в газових лазерах можна отримувати найменший кут розходження лазерного променя в порівнянні з іншими типами лазерів (близько хвилини без всяких додаткових колімуючих пристроїв).

Газові лазери можна розділити на три види: атомарні , іонні і молекулярні .

Лазери на нейтральних атомах є головним чином генераторами ближнього ІК і червоного випромінювання, оскільки для нейтральних атомів енергія, відповідна лазерним переходах, становить зазвичай 1 ... 2 еВ.

В іонних газових лазерах енергія випромінювання квантів значно більше-2 ... 5 еВ иг більш, тому іонні газові лазери генерують видиме і УФ-випромінювання.

У молекулярних лазерах використовуються коливальні і обертальні рівні молекул, для яких енергія переходів становить соті і десяті частки еВ, що відповідає випромінюванню в далекому ІК і субміліметровому діапазонах довжин хвиль.

Процеси створення інверсіїзаселеність в газових лазерах

Властивості газових лазерів залежать від величини тиску і природи газу, від взаємного розташування і часу життя робітників рівнів, від енергії і щільності вільних електронів, від розмірів обсягу, де розташований газ, від способу підведення енергії і ряду інших факторів (див. П. 15.2) . можна вказати

такі механізми створення інверсії населеності в газових лазерах: неупругие зіткнення частинок 1-го і 2-го роду в газовому розряді, оптичне накачування, дисоціація молекул, фотодисоціація. У більшості випадків в газових лазерах накачування здійснюється за рахунок газового розряду, створюваного в активному середовищі, де розташовуються електроди. Основні фізичні процеси в газовому розряді розглянуті в гл. 15. Тут будуть перераховані і підсумовані ті положення, які домінують при отриманні інверсіїзаселеність.

З усього великого розмаїття видів розряду в газі (див. П. 15.2) в техніці газових лазерів найбільш часто використовуються тліючі і дугові розряди, в яких можна виділити три характерні області: прікатодном, пріанодном і область позитивного стовпа (див. П. 15.2). Нагадаємо, що позитивний стовп відрізняється від приелектродних областей невеликим градієнтом потенціалу та відсутністю об'ємного заряду. У плазмі позитивного стовпа в основному і створюється інверсія заселеність, оскільки в цій області присутні як електрони, так і нейтральні порушені і незбуджені атоми, молекули і іони, як позитивні, так і негативні.

Всі частинки в плазмі позитивного стовпа знаходяться в безперервному хаотичному русі, а заряджені частинки ще беруть участь і в безперервному дрейфовому русі. У процесі свого руху частинки взаємодіють (соударяются) один з одним, обмінюються енергією, в результаті чого і відбувається збудження й іонізація атомів і молекул. Процеси взаємодії між частинками в плазмі розряду прийнято ділити на дві групи: пружні і непружні.

За рахунок пружних взаємодій енергія від заряджених частинок передається нейтральним, а спрямований рух частинок перетворюється в хаотичний. Тому середня енергія хаотичного руху частинок в плазмі зростає і, отже, їх температура буде вищою, ніж температура навколишнього середовища, однак збільшення середньої енергії різному для різних частинок.

Серед непружних процесів взаємодії 1-го роду найбільш істотними є наступні: пряме електронне збудження, ступеневу електронне збудження, іонізація атома (див. П. 15.2). При прямому електронному порушенні порушені стану атомів заселяються при малій концентрації електронів в розряді. При ступінчастому порушення заселяються порушені стану атомів при досить великій концентрації електронів в газовому розряді. Іонізація призведе до збільшення кількості заряджених частинок в плазмі. Всі ці три непружних процесу є процесами 1-го роду, так як в результаті взаємодії сумарна кінетична енергія частинок зменшується (див. П. 15.2).

При взаємодії повільного електрона з порушеною атомом можливо зіткнення 2-го роду, при цьому атом віддасть свою внутрішню енергію і перейде в збудженому стані. Результатом цього процесу є збіднення збуджених станів. Іншим ефективним процесом непружних зіткнень 2-го роду є зіткнення нейтральних і збуджених атомів в суміші різних газів, коли збудженому атом одного газу стикається з порушеною атомом іншого газу і в результаті цього відбувається передача збудження. Результатом такого процесу є додаткове заселення збуджених станів за рахунок взаємодії з атомами буферного газу. Імовірність цього процесу тим вище, чим ближче один до одного розташовані енергетичні рівні, між якими здійснюється обмін возбуждениями, т. Е. В ідеальному випадку ці рівні повинні мати одне і те ж значення енергії.

Перераховані процеси далеко не вичерпують все різноманіття явищ в плазмі позитивного стовпа. Однак вони дозволяють в першому наближенні трактувати механізми створення інверсіїзаселеність в найбільш поширених видах газових лазерів. На закінчення підкреслимо роль пружних і непружних процесів в створенні інверсіїзаселеність. Інверсія заселеність безпосередньо зобов'язана непружних зіткнень. Пружні ж зіткнення визначають середню енергію хаотичного переміщення електронів (електронну температуру) в газовому розряді, яка визначає ймовірність і значення перерізи збудження або іонізації. Перетину процесів немонотонно залежать від електронної температури.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >