Ионные газовые лазеры. Ионные лазеры на инертном газе

Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой плотности (~10 3 А/см 3).

Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4p) и нижним (4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4p, имеющий по сравнению с уровнем 4s большее время жизни, заселяются ионами аргона в результате их столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5p. В то же время уровень 5p, обладающий очень коротким временем жизни, быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5p, 5s, 4p состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515.

В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (~0,1 %) и большая потребляемая мощность (3…5 кВт).

Схема принципиального процесса генерации верхних лазерных уровней приведена на рис. 6 на примере аргона. В результате соударения электронов ионизируется атом аргона. Далее, после столкновения второго рода, ион аргона возбуждается в верхний лазерный уровень. Другие механизмы возбуждения заключаются в том, что населенность создается за счет распадов излучения вышележащих уровней либо электронно-столкновительное возбуждение проистекает из более глубоких метастабильных состояний иона аргона. Как предполагается, все три процесса вносят существенный вклад в заселенность верхнего лазерного уровня, причем, например, на долю каскадных переходов из вышележащих уровней приходится от 25 до 50%.

Рис. 6.

Рис. 7. Энергетические уровни и процесс накачки у аргонового лазера. (ArII есть спектроскопическое обозначение для иона Аr +)

Как видно из рис. 7, верхний лазерный 4p-уровень 35,7 эВ располагается над основным состоянием атома аргона, а 20>В - над ионом аргона. Таким образом, возбуждению могут способствовать только обладающие большой энергией электроны с получением невысокой квантовой эффективности порядка 10%. Эти данные относятся к основному состоянию иона аргона, так как он может вновь возбуждаться в разряде. Нижний лазерный 4y-уровень быстро опустошается в результате излучательного перехода (72 нм) с временем жизни 1 нс. В сравнении с этим, время жизни в верхнем 4p-состоянии продолжительнее на 10 нc. Короткое время жизни на нижнем лазерном уровне обеспечивает совсем небольшую населенность, вследствие чего инверсия может осуществляться, несмотря на относительно слабое возбуждение верхнего лазерного уровня.

Так как состояния 4р и 4S расщеплены, образуется большое число лазерных переходов с разными интенсивностями. На рис. 8 показано 10 лазерных линий, самые интенсивные из которых находятся в диапазоне длин волн 488,0 нм (синяя) и 514,5 нм (зеленая). В коммерческих лазерах достигаются мощности этих линий более 10 ватт (см. таблицу 1).

Рис. 8.

По причине двухступенчатого электронно-столкновительного возбуждения мощность аргонового лазера возрастает почти квадратично току. Для аргонового лазера высокой мощности обязательны, в силу необходимой ионизации и возбуждения, большие токи на малых поперечных сечениях. Безусловно, это потребует гораздо более серьезных, по сравнению с гелий-неоновыми лазерами, технологических затрат.

При дальнейшем повышении плотности тока аргон может быть ионизирован дважды. Для этого требуется энергия в 43 эВ. Примерно на 25-30 эВ выше основного состояния Аr2+ существуют дальнейшие лазерные уровни, которые генерируют ультрафиолетовое излучение с 334, 351 и 364 нм. У лазеров в специальном исполнении мощность может составлять несколько ватт. Такие ультрафиолетовые аргоновые лазеры довольно дороги, ибо для них требуется специальная оптика, а также обязательны повышенные плотности тока и сильные магнитные поля.

Таблица 1. Мощность ионного аргонового лазера 20 Вт при разных линиях излучениях

Стандартная оптика	Ультрафиолетовая оптика
Длина волны (нм)	Мощность (Вт)	Длина волны (нм)	Мощность (Вт)
все линии

Ионные лазеры

Ионные лазеры -- это тип газовых лазеров, в которых верхний уровень заселяется путем двух последовательных столкновении с электронами в электрическом разряде (ионизация + возбуждение). Энергии ионов превосходят атомарные, поэтому ионные лазеры генерируют в видимой и УФ-области спектра.

Из-за большой плотности тока в разрядной трубке может происходить перекачка ионов к катоду, поэтому требуется дополнительный обводной капал. Для предотвращения разрушения трубки при бомбардировке быстрыми ионами ее изготавливают из керамики и помещают в продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом. Радиально движущиеся заряженные частицы испытывают отклоняющее действие силы Лоренца, в результате их траектории искривляются, уменьшая скорость диффузии зарядов к стенкам. Примером может служить аргоновый лазер, генерирующий в видимой области на линиях л 1 = 488 им (голубая) и л 2 = 514,5 им (зеленая).

При проектировании передающих устройств оптических систем связи инженер неизбежно сталкивается с необходимостью выбора источника излучения -- оптического квантового генератора. Выбор генератора зависит от конкретных условий применения системы связи: ее размещения (наземный или космический, подвижный или стационарный варианты), спектрального диапазона работы, импульсного или непрерывного режима, требуемой выходной мощности, требуемой расходимости луча и стабильности частоты, кпд передатчика, ресурса генератора и срока службы системы, видов модуляции и приема, необходимости учета атмосферы и т. д. Каждый из этих факторов необходимо учитывать. Из самых общих соображений можно дать следующие рекомендации .

Газовые ОКГ обладают высокими монохроматичностью и стабильностью частоты, а также малым углом расхождения луча; они могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах при высокой частоте повторения. Недостатками газовых ОКГ являются малый КПД (исключая ОКГ на двуокиси углерода) и относительна большие габариты. Твердотельные ОКГ характеризуются высокой импульсной мощностью и возможностью получения импульсов очень малой длительности. Однако присущие им недостатки -- малый КПД и трудности реализации непрерывного режима работы -- ограничивают до определенной степени их применение в системах связи. Полупроводниковые ОКГ обладают высоким КПД, малыми габаритами, возможностью осуществления непосредственной модуляции током накачки. Однако весьма широкий спектр выходного сигнала и большой угол расхождения луча сдерживают широкое внедрение в оптические системы связи.

Наиболее подходящими для широкополосных оптических систем связи являются гелий-неоновый лазер, лазеры на ионах аргона, АИГ: Nd 3+ (в основном режиме или с удвоением частоты) и лазер на двуокиси углерода. В системах связи мощностью менее 100 мВт, для которых габариты ОКГ и низкий кпд не являются ограничивающими факторами, приемлемы гелий-неоновые ОКГ, обладающие хорошими спектральными свойствами, малой расходимостью луча и большим сроком службы. В системах связи с выходной мощностью свыше 100 мВт наиболее пригодными считаются ОКГ на ионах аргона, АИГ: Nd 3+ и СО 2 . Первые два ОКГ, хотя и обладают низким КПД, могут эффективно использоваться в многоканальных системах связи с повышенной пропускной способностью, работающих в режиме кодово-импульсной модуляции. Для этого ОКГ должны излучать в режиме синхронизации мод. Главным препятствием широкого использования ОКГ на двуокиси углерода, имеющих высокий кпд и обеспечивающих требуемый уровень выходной мощности, является необходимость разработки широкополосных фотоприемников с охлаждением для приема излучения с длиной волны 10,6 мкм. Это препятствие в настоящее время успешно преодолевается.

Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование электромагнитных колебаний с частотой 30 МГц при помощи в несколько десятков ватт.

Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током при напряжении 1000…2000 В, получаемым с помощью стабилизированных выпрямителей. В этом случае газоразрядная трубка подогревным и холодным катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на который подается импульсное напряжение около 12 кВ. это напряжение получают путем разряда конденсатора емкостью 1…2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора.

Достоинством гелий-неоновых лазеров являются когерентность их излучения, малая потребляемая мощность (8…10 Вт) и небольшие размеры. Основные недостатки – невысокий КПД (0,01…0,1 %) и низкая выходная мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать в импульсном режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой амплитуды при длительности в единицы микросекунд. Главные области практического применения гелий-неоновых лазеров – научные исследования и измерительная техника.

Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой плотности (~10 3 А/см 3).

Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4p ) и нижним (4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4p , имеющий по сравнению с уровнем 4sбольшее время жизни, заселяются ионами аргона за счет из столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5p . В то же время уровень 5p, обладающий очень коротким временем жизни, быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5p , 5s, 4p состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515.

В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (~0,1 %) и большая потребляемая мощность (3…5 кВт).

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Первые расчеты, касающиеся возможности создания лазеров, и первые патенты относились главным образом к газовым лазерам, так как схемы энергетических уровней и условия возбуждения в этом случае более понятны, чем для веществ в твердом состоянии. Однако первым был открыт рубиновый лазер, хотя вскоре был создан и газовый лазер. В конце 1960 г. Джаван, Беннет и Херриотт создали гелий-неоновый лазер, работающий в инфракрасной области на ряде линий в районе 1 мкм. В последующие два года гелий-неоновый лазер был усовершенствован, а также были открыты друг е газовые лазеры, .работающие в инфракрасной области, включая лазеры с использованием других благородных газов и атомарного кислорода. Однако наибольший интерес к газовым лазерам был вызван открытием генерации гелий-неонового лазера на красной линии 6328 А при условиях, лишь незначительно отличавшихся от условий, при которых была получена генерация в первом газовом лазере. Получение генерации в видимой области спектра стимулировало интерес не только к поискам дополнительным переходов такого типа, но и к лазерным применениям, так как при этом были открыты многие новые и неожиданные явления, а лазерный луч получил новые применения в качестве лабораторного инструмента. Два года, последовавшие за открытием генерации на линии 6328 А, были насыщены большим количеством технических усовершенствований, направленных главным образом на достижение большей мощности и большей компактности этого типа лазера. Тем временем продолжались поиски новых длин волн и были открыты многие инфракрасные и несколько новых переходов в видимой области спектра. Наиболее важным из них является открытие Матиасом и импульсных лазерных переходов в молекулярном азоте и в окиси углерода.

Следующим наиболее важным этапом в развитии лазеров было, по-видимому, открытие Беллом в конце 1963г. лазера, работающего на ионах ртути. Хотя лазер на ионах ртути сам по себе не оправдал первоначальных надежд на получение больших мощностей в непрерывном режиме в красной и зеленой областях спектра, это открытие указало новые режимы разряда, при которых могут быть обнаружены лазерные переходы в видимой области спектра. Поиски таких переходов были проведены также среди других ионов. Вскоре было обнаружено, что ионы аргона представляют собой наилучший источник лазерных переходов с большой мощностью в видимой области и что на них может быть получена генерация в непрерывном режиме. В результате дальнейших усовершенствований аргонового лазера в непрерывном режиме была получена наиболее высокая мощность, какая только возможна в видимой области. В результате поисков была открыта генерация на 200 ионных переходах, сосредоточенных главным образом в видимой, а также в ультрафиолетовой частях спектра. Такие поиски, по-видимому, еще не окончены; в журналах по прикладной физике и в технических журналах часто появляются сообщения о генерации на новых длинах волн,

Тем временем.технические усовершенствования лазеров быстро расширялись, в результате чего исчезли многие “колдовские” ухищрения первых конструкций гелий-неоновых и других газовых лазеров. Исследования таких лазеров, начатые Беннетом, продолжались до тех пор, пока не был создан гелий-неоновый лазер, который можно установить на обычном столе с полной уверенностью в том, что лазер будет функционировать так, как это ожидалось при его создании. Аргоновый ионный лазер не исследован столь же хорошо; однако большое число оригинальных работ Гордона Бриджеса и позволяет предвидеть в разумных пределах возможные параметры такого лазера.

На протяжении последнего года появился ряд интересных работ, посвященных газовым лазерам, однако еще слишком рано определять их относительную ценность. Ко всеобщему удивлению наиболее важным достижением явилось открытие Пейтелом генерации вынужденного излучения в СО2 на полосе 1,6 мк с высоким КПД. выходная мощность в этих лазерах может быть доведена до сотен ватт, что обещает открыть целую новую область лазерных применений.
Список использованной литературы:

Энциклопедический словарь юного физика (гл. редактор Мигдал А.Б.)

Москва “Педагогика” 1991г.

Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев “Физика 11”

Москва “Просвещение” 1993г.

О.Ф.Кабардин “Физика” Москва “Просвещение” 1988г.

”Газовые лазеры” (под. ред. Н.Н. Соболева) Москва “Мир” 1968г.

”Основы лазерной техники” Байбородин Ю. В. 2-е изд., К.:1988, 383с.

По сравнению с нейтральными атомами шкала энергетических уровней ионизованного атома является более широкой. Действительно, в этом случае каждый электрон атома испытывает влияние поля положительного заряда ядра - атомный номер элемента, заряд электрона), экранированного отрицательным зарядом оставшихся электронов. Таким образом, результирующий эффективный заряд равен , в то время как в случае нейтрального атома он равен только е. Это расширение энергетической шкалы приводит к тому, что ионные лазеры обычно работают в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Как и лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры можно разделить на две категории: 1) ионные газовые лазеры, использующие большинство инертных газов,

среди которых наиболее замечательным примером является лазер; 2) лазеры на парах металлов, в которых применяются различные металлы среди этих лазеров выделяется Не-Cd-лазер.

6.3.2.1. Аргоновый лазер

Упрощенная схема участвующих в генерации уровней энергии в аргоновом лазере приведена на рис. 6.11. Основное состояние иона получается путем удаления одного из шести -электронов внешней оболочки аргона. Возбужденные состояния возникают, когда один из оставшихся -электронов забрасывается на уровни соответственно . С учетом взаимодействия с остальными -электронами оба уровня обозначенные на рис. 6.11 как простые уровни, на самом деле состоят из нескольких уровней (соответственно 9 и 2). Возбуждение верхнего лазерного -уровня происходит посредством двухступенчатого процесса, включающего в себя столкновения с двумя различными электронами. При первом столкновении аргон ионизируется, т. е. переходит в основное состояние иона Находящийся в основном состоянии ион испытывает второе столкновение с электроном, что может привести к следующим трем различным процессам: 1) непосредственное возбуждение иона на -уровень (процесс а на рис. 6.11); 2) возбуждение в более высоко лежащие состояния с последующими каскадными излучательными переходами на уровень (процесс на рис. 6.11); 3) возбуждение на

Рис. 6.11. (см. скан) Уровни энергии иона участвующие в лазерной генерации.

метастабильные уровни с последующим третьим столкновением с электроном, приводящим к возбуждению на -уровень (процесс с на рис. 6.11). Поскольку процессы 1 и 2 включают в себя два этапа, связанных со столкновениями с электронами, следует ожидать, что скорость накачки в верхнее состояние будет пропорциональна квадрату плотности тока разряда. Действительно, скорость накачки верхнего состояния должна иметь вид

где - плотности электронов и ионов в плазме в плазме положительного столба). Так как электрическое поле в разряде не зависит от разрядного тока, плотность электронов пропорциональна плотности разрядного тока [см. (3.39)] и из выражения (6.4) следует, что . Можно показать, что при высоких плотностях тока рассмотренный выше процесс 3 также приводит к тому, что скорость накачки пропорциональна Таким образом, накачка резко возрастает с увеличением плотности тока и для того, чтобы рассмотренный выше малоэффективный двухступенчатый процесс позволил закачать достаточно ионов в верхнее состояние, необходимы высокие плотности тока Этим можно объяснить, почему первый запуск -лазера произошел спустя около 3-х лет после запуска Не-Ne-лазера (Бриджес, 1964 ). Ион будучи заброшен на верхний лазерный уровень может релаксировать на уровень посредством быстрой излучательной релаксации. Однако следует заметить, что релаксация из нижнего лазерного -уровня в основное состояние происходит за время, которое примерно в 10 раз короче. Таким образом, условие непрерывной генерации выполняется.

Из сказанного выше следует, что генерацию в аргоновом лазере следует ожидать на переходе Так как оба уровня на самом деле состоят из многих подуровней, аргоновый лазер может генерировать на многих линиях, среди которых наиболее интенсивными являются зеленая нм) и синяя нм). Из измерений спектра спонтанного излучения было найдено, что доплеровская ширина линии например зеленого перехода, составляет около 3500 МГц. Это означает, что температура ионов, определяемая в соответствии с выражением (2.78), равна Иными словами, ионы являются очень горячими благодаря их ускорению в электрическом поле разряда. Относительно широкая доплеровская ширина линии также приводит к тому, что в режиме синхронизации мод в аргоновом лазере наблюдаются сравнительно короткие импульсы см. табл. 5.1).

На рис. 6.12 приведена схема устройства современного мощного аргонового лазера. Заметим, что как плазменный ток, так и лазерный пучок ограничиваются металлическими (вольфрамовыми) дисками, помещенными в керамическую трубку большего диаметра. Использование такой теплопроводной и изолирующей металлокерамической комбинации необходимо для того, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность трубки и в то же время ослабить проблемы, связанные с эрозией вследствие высокой температуры ионов.

Рис. 6.12. Схематическое изображение мощной аргоновой лазерной трубки с водяным охлаждением.

Диаметр центральных отверстий в дисках делается небольшим , чтобы сосредоточить генерацию в -моде (для резонатора обычно применяются вогнутые зеркала с большим радиусом кривизны) и чтобы уменьшить необходимое значение полного тока. В аргоновых лазерах приходится решать проблему катафореза атомов аргона. В самом деле, вследствие высокой плотности тока наблюдается значительная миграция ионов в сторону катода. Вблизи катода ионы нейтрализуются электронами, эмиттированными с поверхности электрода, и нейтральные атомы стремятся скапливаться в прикатодной области. Для преодоления этой трудности в дисках делают дополнительные смещенные от центра отверстия, чтобы обеспечить за счет диффузии путь для возвращения атомов от катода к аноду. Отверстия проделываются таким образом, чтобы через возвратные отверстия не шел ток за счет того, что длина образующихся путей больше, чем длина пути через центральные отверстия. Внутренняя керамическая трубка охлаждается водой для отвода большого количества тепла, которое неизбежно выделяется в трубке (несколько Заметим также, что в области разряда параллельно оси к трубке прикладывается постоянное магнитное поле. В такой конфигурации сила Лоренца уменьшает скорость

диффузии электронов к стенкам. В результате этого число свободных электронов в центре трубки увеличивается и, следовательно, возрастает скорость накачки. Это позволяет объяснить наблюдаемое увеличение выходной мощности в случае, когда прикладывается внешнее магнитное поле. Удерживая разряд вблизи оси трубки, магнитное поле также уменьшает разрушение стенок. Заметим, что в мощных лазерах 1 Вт) зеркала монтируются снаружи трубки, чтобы ослабить деградацию зеркального покрытия под воздействием вакуумного УФ-излучения, испускаемого плазмой. У маломощных лазеров трубка обычно изготавливается из керамического блока, в котором для разряда просверливается центральное отверстие. В этом случае магнитное поле отсутствует, трубка охлаждается воздухом, а зеркала, как и в Не-Ne-лазере, впаиваются в концы трубки.

Промышленностью изготавливаются аргоновые лазеры с водяным охлаждением мощностью генерирующие на синем и зеленом переходах одновременно или только на одной линии при использовании конфигурации рис. 5.4, а. Также выпускаются маломощные аргоновые лазеры с воздушным охлаждением. В обоих случаях выходная мощность над порогом резко увеличивается с ростом плотности тока , так как в аргоновом лазере, в противоположность тому, что происходит в Не-Ne-лазере, нет процессов, приводящих к насыщению инверсии. Однако КПД лазера очень мал поскольку мала квантовая эффективность (~ 7,5 %; см. рис. 6.11) и возбуждение электронным ударом происходит на множестве уровней, которые не связаны эффективным образом с верхним лазерным уровнем. Аргоновые лазеры широко используются для накачки непрерывных лазеров на красителях, для множества научных применений (взаимодействие излучения с веществом), в лазерных принтерах, в лазерной хирургии и в техническом оснащении развлекательных программ.

В заключение данного раздела упомянем -лазер, который получил наиболее широкое распространение среди множества остальных ионных лазеров. Он также генерирует на многих длинах волн, среди которых наиболее интенсивной является красная (647,1 нм).

Естественным шагом вперед в развитии газовых лазеров было включение в число активных сред наряду с газами, состоящими из нейтральных атомов, также ионизованных и молекулярных газов. Молекулярные лазеры рассмотрены в следующей главе.

О достижении импульсной лазерной генерации в парах ртути II на длине волны первым сообщил Белл в 1964 г. . В спектроскопии число, обозначенное римской цифрой, если его уменьшить на единицу, означает кратность ионизации. Таким образом символ обозначает пары ртути в атомарном негонизо-ванном состоянии, II - в состоянии однократной ионизации. В апреле того же года Бриджес }