Газовые лазеры

В газовых лазерах в качестве активной среды используется газообразные вещества. Семейство газовых лазеров многочисленно и они генерируют в широком спектральном диапазоне: от УФ области спектра до субмиллиметровых волн. Газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью. Поэтому излучение этих лазеров однородно, а расходимость может достигать дифракционных пределов. Но из-за малой плотности газа невозможно получить их большую концентрацию – поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров значительно ниже, чем у твердотельных и жидкостных лазеров.

Гелий-неоновый лазер (He-Ne лазер). Это был первый газовый лазер и его запустил американский учёный А. Джаван (рис.1.22) в 1961 году.

Рис. 1.22. Создатель He-Ne лазера А. Джаван

Упрощённая схема энергетических уровней He-Ne лазера изображена на рисунке 1.23. В гелий-неоновом лазере активным веществом являются нейтральные атомы Ne. При электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня E₁ на возбуждённый верхний уровень E₅. Но в чистом Ne время жизни на этом уровне мало и атомы быстро переходят с него на нижние уровни E₄, E₃, E₂ и E₁, что препятствует созданию инверсной населённости. Примесь He существенно меняет ситуацию. Возбуждённые энергетические уровни атома гелия F₂ и F₃ совпадают с верхними уровнями E₅ и E₄ неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов He, с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией E₁) происходит передача возбуждения, в результате которой атомы Ne переходят на уровни E₅ и E₄, а атомы He возвращаются в основное состояние F₁. При достаточно большом числе атомов He в газовой смеси можно добиться преимущественного заселения уровней E₅ и E₄ неона. Этому же способствует опустошение уровня E₃, происходящее при соударении атомов неона со стенками газоразрядной трубки.

Уровни E₅, E₄, E₃ обладают сложной структурой, т.е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн, из которых наиболее эффективными и востребованными являются 0.63 мкм и 1.15 мкм. Несмотря на малый КПД этих лазеров, их излучение обладает высокой монохроматичностью, а конструкция самого лазера достаточно проста и надёжна.

Рис. 1.23. Упрощённая схема энергетических уровней He-Ne лазера

Ионные лазеры. Ионные лазеры обладают большей выходной мощностью, чем газовые лазеры на нейтральных атомах. Инверсия населённости создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрическом разряде. Наиболее мощная генерация (до сотен Вт) получена в сине-зелёной области спектра (488 нм – 514 нм) на ионах Ar²⁺, в жёлто-красной (568 нм – 647 нм) на ионах Kr²⁺, на УФ линиях Ne²⁺, Ar³⁺ и Kr³⁺. Ионные лазеры широко применяются в физических исследованиях, голографии и фотолитографии.

Дата добавления: 2014-01-20