3Газовые лазеры

3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров

В газовых лазерах в качестве активной среды применяются газовые среды, а накачка осуществляется с помощью электрического разряда. Это связано с тем, что уширение энергетических уровней в газах довольно мало и использование оптической накачки с помощью ламп, имеющих непрерывный спектр, было бы очень неэффективно.

Для газовых лазеров характерна высокая направленность и монохроматичность, которая обусловлена дискретностью ряда энергетических уровней в газовых средах. Однако, из-за относительно малой плотности возбужденных частиц, удельный энергосъем у газовых лазеров существенно ниже, чем у твердотельных лазеров. Для получения большой выходной мощности используют протяженные активные среды.

К особенностям газовых лазеров также можно отнести высокий коэффициент полезного действия КПД (КПД 30%) и широкую область генерации.

Как правило, конструктивно газовый лазер имеет вид герметичной трубки со смесью газов, помещенный в полусферический резонатор c зеркалами З₁ и З₂.

Рис.3.1. Конструкция газового лазера.

Трубка (кварцевая) длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров подвергается сложной технологической обработке, затем откачивается и наполняется газом или смесью газов. Внутри трубки, как показано на рисунке, устанавливаются электроды для создания разряда в газовой среде. Если для возбуждения лазера используется высокочастотный разряд, то применяются внешние электроды. По расположению внешних электродов схемы накачки делятся на продольные и поперечные. В газовом лазере с продольной схемой накачки трубка охвачена двумя кольцами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга, куда подается напряжение. Во втором случае трубка помещается между двумя параллельными электродами.

Рис.3.2. Газовые лазеры с внешними электродами.

Торцы газоразрядной трубки закрываются плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками, составляющими с осью резонатора угол Брюстера. Установка торцевых пластин под углом Брюстера приводит, во-первых, к уменьшению порога генерации и, во-вторых, позволяет получить на выходе плоскополяризованное лазерное излучение.

Для возбуждения лазера используют стационарный разряд:

-дуговой разряд (плотность тока j 10³ А\см², степень ионизации =10%);

-тлеющий разряд (плотность тока j 10^-5 10^-1А\ см², степень ионизации =10^-4 10^-3 %) - это разряд постоянным током и высокочастотный разряд.

После приложения к электродам напряжения, в объеме газа образуется плазма, состоящая из нейтральных атомов, электронов, положительных и отрицательных ионов. Положительные ионы начинают двигаться к катоду, а быстрые электроны и отрицательные ионы - к аноду.

Газовые лазеры можно подразделить на следующие разновидности: газовые лазеры на нейтральных атомах (гелий-неоновый лазер); ионные газовые лазеры (аргоновый лазер); молекулярные лазеры (СО₂-лазер).

3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда

В плазме газового разряда все частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, но и имеется дрейф заряженных частиц в направлениях расположения электродов. В процессе хаотического движения частиц возможны как упругие, так и неупругие соударения частиц газа.

Перевод атомов (ионов) в плазме газового разряда в возбужденные состояния происходит в результате неупругих соударений. Возможны следующие процессы передачи энергии при таких столкновениях:

а) Прямое электронное возбуждение.

Быстрый электрон сталкивается с атомом (с ионом), находящимся в основном состоянии, передает ему часть своей кинетической энергии, в результате чего атом переходит в возбужденное состояние. Схема этого процесса записывается в виде: е^* + А  е + А^* , где обозначены е – электрон; е^* - быстрый электрон; А и А^* - атом в основном и возбужденном состоянии.

б) Ступенчатое электронное возбуждение или соударения 1-го рода.

При таком механизме возбуждения электрон при столкновении с возбужденным атомом (ионом) передает ему свою энергию и, тем самым, переводит его на более высокий энергетический уровень. Схема процесса передачи энергии в данном случае записывается как: е^* + А^*  е + А^** . Столкновение 1-го рода приводит к преобразованию кинетической энергии электрона в потенциальную энергию атома.

в) Резонансная передача энергии или соударения 2-го рода.

В газовой смеси при соударении возбужденного атома одного газа с атомом другого газа, находящегося в невозбужденном состоянии, возможна резонансная передача энергии от первого атома ко второму атому. Схема реализации этого процесса: А^*+В А+В^*, где А, В, В^* и А^* - атомы в основном и возбужденном состоянии.

Рис3.3. Схема реализации резонансной передачи энергии.

Необходимыми условиями для реализации данного процесса является:

- близкое расположение уровней сталкивающихся атомов ( Е=Е_А-Е_В принимает минимальное значение);

- концентрация атомов А много больше концентрации атомов В (n_А>>n_В);

- возбужденный уровень атома А должен быть метастабильным (большое время жизни).

Атом, находящийся в возбужденном состоянии, может перейти на более низкие энергетические уровни, включая основной, благодаря следующим четырем процессам:

1) столкновениям возбужденного атома с электроном, при котором атом отдает свою энергию электрону;

2) столкновениям между атомами в газовой смеси, состоящей более чем из одной компоненты;

3) столкновениям атома со стенками газоразрядной трубки;

4) спонтанному излучению.