6.5.2 Газовые лазеры

Газовый лазер представляет собой лазер, в котором активной средой являются газы, пары или смеси газов или паров.

Как и все типы лазеров, газовый лазер состоит из следующих основных элементов:

□ активная среда с усилением на одной или нескольких линиях;

□ оптический резонатор для создания положительной обратной связи;

□ устройство накачки для создания инверсной населенности уровней.

Трубку или камеру с активной газовой средой помещают в оптический резонатор, состоящий из зеркал различной конфигурации. Плоскости зеркал должны быть перпендикулярны продольной оси трубки или камеры с газом. При создании в газе инверсной населенности уровней в результате накачки электромагнитным полем стимулируется процесс вынужденного излучения. Лазерное излучение выводится из резонатора через полупрозрачное зеркало, через края непрозрачного зеркала или через отверстие в нем. Среди отличительных особенностей газовых лазеров по сравнению с лазерами на конденсированных средах следует отметить следующие:

□ высокая оптическая однородность активной среды;

□ узкие спектральные линии излучения;

□ высокая степень когерентности излучения;

□ острая направленность излучения;

□ стабильность частоты излучения;

□ широкий диапазон рабочих длин волн излучения;

□ возможность использования активных газовых сред большого объема и протяженности.

По способу накачки газовые лазеры условно делятся на газоразрядные, газодинамические и химические

6.5.2.1 Лазеры на нейтральных атомах

Первым газовым лазером был гелий-неоновый лазер. Он относится к газоразрядным лазерам. Инверсная населенность уровней в нем осуществляется с помощью газового разряда. Атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми свободными электронами. Давление газов составляет величину в пределах долей мм рт. ст. Малая плотность газов позволяет зародившемуся в результате вынужденного излучения лучу многократно проходить между зеркалами резонатора не искажаясь. На Рисунок - 6.13 приведена схема газового Не-Ne лазера. Капилляр с газом помещается в цилиндр катода газоразрядной трубки. Окошки Брюстера помогают уменьшить потери излучения за проход луча. В Не-Nе лазере рабочим веществом служат нейтральные атомы неона.

Рисунок - 6.13. Схема Не-Nе лазера: 1 — разрядная трубка; 2 — катод; 3 — анод; 4 — окна Брюстера; 5 — капилляр со смесью газов; 6 — зеркала

Инверсия населенностей уровней осуществляется за счет первоначального возбуждения атомов гелия на уровни Е2 и E3. Они точно совпадают с уровнями Е4 и E5 возбужденных атомов неона. При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит перекачка энергии (Рисунок - 6.14). Механизм резонансной передачи возбуждения позволяет перевести атомы неона в возбужденное состояние. Гелий, как буферный газ, является резервуаром возбуждения неона. Неон нельзя возбудить прямым переходом на уровни Е4 и Е5 из-за долго живущего метастабильного уровня Е2.

Инверсия населенностей достигается за счет долгоживущих уровней Е4 и Е5. Именно переход с них на уровень £3 позволяет получить стимулированное излучение в красном и инфракрасном диапазонах длин волн.

Рисунок - 6.14. Уровни энергии возбуждения атомов гелия и неона

Опустошение короткоживущего уровня Е3 неона происходит путем соударений атомов неона со стенками разрядной трубки, что переводит их на уровень Е2. С этой целью подбирается оптимальный диаметр газоразрядной трубки (до 10 мм). Генерация в красном диапазоне происходит на длине волны 0,63 мкм (6328 Å). Также возможна генерация излучения гелий-неоновых лазеров на длине волны 1,15 и 3,39 мкм. В настоящее время получена генерация на более чем 450 переходах между уровнями нейтральных атомов. Помимо гелий-неонового лазера весьма популярен ксеноновый лазер, генерирующий на длине волны λ = 3,5 мкм, и гелий-ксеноновый (λ = 2,02 мкм). Эти лазеры работают в непрерывном режиме, который обеспечивается газоразрядной накачкой.

Газовые лазеры работают в широком диапазоне длин волн (от 100 нм до 1000 мкм) и мощностей излучения (от 100 мкВт до 1 МВт) в непрерывном режиме и до 1 ТВт в импульсном режиме.