АТОМАРНІ ГАЗОВІ ЛАЗЕРИ. ГЕЛІЙ-НЕОНОВИЙ ЛАЗЕР

Першим газовим лазером безперервної дії був лазер, в якому в якості активного середовища використовувалася суміш двох газів - гелію і неону. Схематичне пристрій Чи не перші лазера

Мал. 19.1

наведено на рис. 19.1, де 1 - газорозрядна трубка з сумішшю газів гелію і неону, 2 - дзеркала резонатора, 3 - розжарюваний катод, 4 - анод, 5 - джерело електричного живлення.

Газорозрядна трубка (ГРТ) 1 виготовляється з кварцу або високоякісного скла, піддається термічній обробці, відкачується і заповнюється робочою сумішшю. Ставлення парціального тиску гелію (Не) і неону (N6) зазвичай становить величину Р Н в / Р " е =5..Л5. Вихідні вікна ГРТ встановлюються під кутом Брюстера до оптичної осі резонатора. Наявність брюстеровскіх вікон обумовлює поляризацію генерованого випромінювання і мінімальне відображення його від торців ГРТ. Найбільше посилення має місце для хвилі, поляризованої в площині, що проходить через вісь резонатора і нормаль до площини вихідного вікна (на рис. 19.1 площину креслення, що є площиною падіння для променя лазера). У цій площині поляризоване вихідний випромінювання газового лазера.

Порушення газового середовища може бути забезпечено як за допомогою безелектродного високочастотного індукційного розряду, так і за рахунок розряду на постійному струмі (див. Рис. 19.1).

У газових лазерах на нейтральних атомах загальний тиск газової суміші становить величину порядку 1 мм рт. ст.

Вимушене випромінювання створюється атомами неону, а атоми гелію полегшують отримання інверсної населеності в неоні за рахунок непружних процесів зіткнення 2-го роду.

Схема нижніх збуджених станів атомів гелію і неону приведена на рис. 19.2. Нижнім порушених станів атома гелію відповідають значення енергії 20,61 і 19,82 еВ. Переходи 2 1 5 0 - I 1 £ 0 і 2 3 - *> I 1 5 0 заборонені, тому зі

стояння 2 1 £ 0 і 2 3 є метастабільними з великим часом життя т ~ 10 3 с. Енергетичні стани неону 25,

Мал. 19.2

3 $, 2р, 3р, як це показано на рис. 19.2, є в кожному разі кілька близько розташованих енергетичних рівнів. Рівні За і 2в неону енергетично близькі до метастабільним рівнями гелію. Стану 1 $ неону є метастабільними (з часом життя т ~~ 10 ~ 3 с); релаксаційні переходи з цих станів відбуваються переважно за рахунок зіткнень атомів зі стінками трубки. Накопичення атомів в цих станах є небажаним, оскільки це призводило б до додаткового заселення рівнів 2р (за рахунок захоплення фотонів, що виникають при релаксационном випромінювального переходу 2 р - * 1а), а, отже, до зменшення інверсної населеності на робочих лазерних рівнях.

Порушення атомів гелію і неону в розряді відбувається за рахунок прямого електронного зіткнення. Населеність стану в сталому режимі визначається твором швидкості заселення на час життя даного стану. Слід зазначити, що часи життя в станів неону дещо більше часів життя р станів, тому навіть при рівних швидкостях збудження можлива інверсія заселеність в стаціонарному режимі на переходах в-р.

Присутність в розряді метастабільних атомів гелію призводить до передачі збудження від метастабілен гелію 2 ! 5 0 і 2 3 5! до атомам неону (стану За і 2в). Оскільки ефект передачі збудження є резонансним, то він приводить до селективного заселення тих станів неону, енергія яких найбільш близька до енергії вихідних станів гелію. Таким чином, виникає додатковий механізм заселення станів і За, і їх населеність за певних умов розряду може перевищити населеність станів групи 2 р і 3 р.

При розгляді умов отримання інверсії на переходах 2в - і За - * 3 р слід враховувати, що стану 1а неону добре заселяються в розряді і при великих токах розряду процес ступеневої збудження атомів з станів 1в в стану 2р і Зр може стати істотним. Цей процес веде до додаткового подзаселенію нижніх робочих станів і, отже, до зменшення, інверсії і зриву генерації. Генерація на переходах з X ~ 1,15 мкм, 3,39 мкм і 0,63 мкм спостерігається приблизно в однакових умовах розряду і характеризується аналогічними залежностями потужності генерації від параметрів розряду.

Виділення генерації на певному переході з певною довжиною хвилі здійснюється підбором інтерференційних дзеркал, введенням в резонатор диспергуючого або селективно поглинає елемента. Найбільше посилення відповідає переходу 3 "- '> Зр з X ~ 3,39 мкм. Потужність генерації Р в першому наближенні пропорційна перевищенню інверсії JN над граничним значенням ДЛГ пір , що забезпечує компенсацію втрат в резонаторі, т. Е. Р ~ (ДЛГ - Д7У пір ). значення інверсії і потужність генерації в значній мірі залежать від струму розряду, загального тиску суміші, співвідношення компонент суміші, діаметра розрядної трубки, форми перетину розрядної трубки.

Залежність потужності генерації від струму розряду для генерації на довжині хвилі X ~ 0,63 мкм представлена на рис. 19.3. Зі збільшенням розрядного струму зростає щільність електронів в плазмі позитивного стовпа розряду, всі процеси електронного збудження інтенсифікуються, населеність усіх порушених, в тому числі і робітників станів, зростає. При невеликих токах розряду / р , коли процесами ступеневої збудження з станів 1в можна знехтувати, зростання населеності робочих станів відбувається пропорційно току, відповідно збільшується і інверсія заселеність. Коли величина інверсії перевищить граничне значення (7 р ~ 2 ... 20 мА), виникає генерація. Подальше збільшення струму призводить до зростання потужності випромінювання.

Мал. 19.3

Мал. 19.4

Як зазначалося вище, при великих розрядних токах, коли концентрація електронів в плазмі велика, починають позначатися процеси ступеневого збудження нижніх робочих станів і Зр з довгоживучих рівнів 1.ч. Швидкість цього процесу приблизно пропорційна квадрату концентрації електронів, в той час як швидкість прямого порушення приблизно лінійно пов'язана з концентрацією електронів. В результаті додаткового заселення нижніх робочих станів інверсія знижується, потужність генерації падає і при токах / р порядку декількох сотень мА генерація зривається.

Збільшення загального тиску суміші при малих тисках до

1 ... 2 мм рт. ст. (Приблизно 100 ... 200 Па) призводить до зростання потужності генерації. Це пов'язано зі збільшенням концентрації атомів неону і гелію і з загальним зростанням населеностей збуджених станів. При великому тиску, істотним є зниження електронної температури, що приводить до різкого зменшення числа електронів, здатних порушувати атоми суміші. Характерна крива залежності потужності випромінювання від загального тиску суміші дана на рис. 19.4.

Інверсія на робочих переходах сильно залежить від передачі збудження з метастабілен гелію до атомам неону. У розряді з однаковою ймовірністю відбувається і зворотний процес, пов'язаний з передачею збудження від атомів неону в станах 2.9 і Зз до незбудженим атомам гелію. Ймовірності двох зустрічних процесів практично рівні, їх швидкості пропорційні населення вихідних станів. Для того щоб спрямувати процес в суміші від гелію до неону, необхідно створити надмірну концентрацію гелію, тому в робочій суміші гелію завжди більше. Оптимальне співвідношення парціальних тисків неону і гелію знаходиться в діапазоні від 1: 5 до 1: 15.

На величину вихідної потужності сильно впливає діаметр газорозрядної трубки. Збільшення діаметра призводить до збільшення обсягу активного середовища, в результаті чого потужність повинна була б наростати. Однак зі зростанням діаметра трубки знижується електронна температура, що знижує інверсію. Крім того, одним з основних процесів, що призводять до зменшення населеності стану 1 ", є дифузія збуджених атомів неону до стінок і їх зіткнення зі стінками, що призводить до звільнення стану 1 $. Зі збільшенням діаметра трубки час дифузії атомів неону до стінок збільшується, отже , ефективний час життя в стані 1в також зростає, внаслідок чого інверсія заселеність знижується. Таким чином, населеність нижніх робочих станів лазерного переходу зростає зі збільшенням діаметра. у результаті су естве оптимальний діаметр ГРТ, який для трубки метрової довжини дорівнює 7 ... 9 мм. Підвищення потужності генерації можна домогтися за рахунок застосування трубок з еліптичних перетином. Роблячи розтин трубки еліптичних, можна, зберігаючи мінімальний розмір перетину незмінним, збільшити обсяг активної суміші за рахунок іншого розміру перетину.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >