• Введение
• 1 История лазеров
• 2 Принцип работы лазера
• 3 Особенности газов как материала для лазера
• 4 Газовые лазеры
• 4.1 Газоразрядные лазеры
• 4.1.1 Особенности устройства газоразрядных лазеров
• 4.1.2 Процессы в газовом разряде
• 4.2 Атомарные лазеры: Гелий-неоновый лазер
• 4.3 Ионные лазеры
• 4.3.1 Ионные аргоновые лазеры
• 4.3.2 Области применения
• 4.4 Молекулярные лазеры
• 4.4.1Газоразрядные CO2-лазеры
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Лазер или оптический квантовый генератор -- это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Целью настоящей работы является рассмотрение принципов работы газоразрядных лазеров.

1. История лазеров

Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими открытиями, является создание генераторов индуцированного электромагнитного излучения - лазеров. В основу их работы положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов и молекул, которое было предсказано еще в 1917 г. Альбертом Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных систем и их излучением. С этого времени, пожалуй, и начинается история создания лазеров.

Однако в то время никто не обратил внимания на принципиальную ценность этого явления. Никому не были известны способы получения индуцированного излучения и его использования.

В 1940 г., анализируя спектр газового разряда, советский ученый В.А. Фабрикант указал, что, используя явление индуцированного излучения, можно добиться усиления света. В 1951 г., совместно с учеными Ф.А. Бутаевой и М.М. Вудынским, он провел первые опыты в этом направлении.

В 1952 г. ученые трех стран одновременно - в Советском Союзе Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, в Соединенных Штатах Америки Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и в Канаде Дж. Вебер - независимо друг от друга предложили основанный на использовании явления индуцированного излучения новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний. Это позволило создать квантовые генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров, которые обладали очень высокой стабильностью частоты. Использование мазеров в качестве усилителей позволило повысить чувствительность приемной радиоаппаратуры в сотни раз. Сначала в квантовых генераторах использовались двухуровневые энергетические системы и пространственная сортировка молекул с различными энергетическими уровнями в неоднородном электрическом поле. В 1955 г. Н.Г. Басов и А. М. Прохоров предложили использовать для получения неравновесного состояния частиц трехуровневые энергетические квантовые системы и внешнее электромагнитное поле для возбуждения.

В 1958 г. была рассмотрена возможность применения этого метода для создания генераторов оптического диапазона (в СССР -- Н.Г. Басов. Б.М. Вул, Ю. М.Попов, А. Н. Прохоров; в США -- Ч. Таунс и А. Шавлов).

Опираясь на результаты этих исследований, Т. Мейман (США) в декабре 1960 г. построил первый успешно работавший оптический квантовый генератор, в котором в качестве активного вещества был использован синтетический рубин. С созданием оптического квантового генератора на рубине возникло слово «лазер». Это слово составлено из первых букв английского выражения: «light amplification by stimulated emission of radiation» (laser), что в переводе означает «усиление света с помощью индуцированного излучения».

Рубиновый лазер работал в импульсном режиме. Его излучение относилось к красной области видимого диапазона. Возбуждение осуществлялось мощным источником света.

Через год, в 1961 г., американские ученые А. Джаван, В. Беннет и Д. Герриотт построили газовый лазер, в котором в качестве активного вещества применялась смесь газов гелия и неона. Возбуждение активного вещества лазера производилось электромагнитным полем высокочастотного генератора. Режим работы этого лазера был непрерывным.

В 1962 г. в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки получили индуцированное излучение в полупроводниковом диоде, что означало создание полупроводникового лазера. Впервые на возможность использования полупроводников в качестве активного вещества в лазерах указали еще в 1959 г. советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов. Большая заслуга в создании полупроводникового лазера принадлежит также американскому ученому Р. Холлу. Полупроводниковый лазер возбуждается непосредственно электрическим током. Он работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются самые различные материалы. Генерация получена более чем на ста веществах: кристаллах, активированных стеклах, пластмассах, газах, жидкостях, полупроводниках, плазме. Рабочим веществом могут служить органические соединения, активированные ионами редкоземельных элементов. Удалось получить генерацию с использованием обычных паров воды и даже воздуха. Создан новый класс газовых лазеров - так называемые ионные лазеры.

Рабочий диапазон существующих оптических квантовых генераторов изменяется от ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм.

2. Принцип работы лазера

В основе действия квантового генератора лежит открытый А. Эйнштейном тип взаимодействия электромагнитного излучения с веществом -- вынужденное испускание. В соответствии с планетарной моделью Э. Резерфорда атомы представляют собой квантово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него по определенным орбитам электронов. Начиная со второго элемента периодической системы Д. И. Менделеева, с атома гелия, на каждой заполненной электронной орбите (энергетическом уровне) имеется как минимум два электрона с противоположными спинами. На атомном уровне существует три типа взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Первый тип взаимодействия -- поглощение света -- заключается в следующем. Атом находится в основном (спокойном, невозбужденном) состоянии. При этом электроны внешней орбиты находятся на ближнем от ядра расстоянии. При воздействии на данный атом светового потока (электромагнитного излучения оптического спектра) один из электронов с энергией Е] может поглотить пролетающий фотон, квант энергии, и этот электрон перейдет на более удаленную от ядра орбиту. Произойдет акт поглощения света веществом (рис. 1а), атом перейдет в электронно-возбужденное состояние, уровень его энергии повысится и станет равной Е2. Число атомов, находящихся в электронно-возбужденное состояние и обладающих энергией Е2, называется населенностью энергетического уровня данного вещества.

В реальных условиях атом не может постоянно находиться в электронно-возбужденном состоянии, он стремится перейти в основное, отдавая в окружающую среду часть энергии в виде испускания при переходе фотона. При этом происходит акт спонтанного испускания, второй тип взаимодействия излучения с веществом (рис. 1), а электрон перейдет на ближнюю к ядру орбиту.

Рис. 1. Процессы взаимодействия света с веществом

При третьем типе взаимодействия (рис.1) атом исходно находится в электронно-возбужденном состоянии.

Попадая под действие светового потока, фотоны которого обладают энергией, равной разнице энергии данного атома в возбужденном и в невозбужденном состоянии, этот атом может перейти в основное состояние, испустив соответственно фотон. Испущенный фотон по по всем параметрам (энергия, направление движения и др.) будет идентичен фотону, который стимулировал переход. Этот процесс называется вынужденным испусканием, а действующий световой поток фотонов при этом усиливается.

Следовательно, если через вещество, атомы которого находятся в электронно-возбужденном состоянии пропустить световой поток определенной длины волны, энергия фотонов которой равна разнице энергетических уровней атомов данного вещества, то произойдет усиление светового потока в результате вынужденного испускания.

Однако, вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии), равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме, находящемся в электронно-возбужденном состоянии. Для усиления света необходимо, чтобы в среде (веществе) было превышение населенности верхнего энергетического уровня (Е2) над нижним (Е1), т. е. следует создать инверсную заселенность. Процесс ее создания называется накачкой, а среда, в которой создана инверсная заселенность, называется активной.

В квантовом генераторе нет внешнего потока фотонов, инверсная заселенность создается внутри него с помощью различных источников накачки. В зависимости от источников существуют различные способы накачки:

· оптический -- мощная лампа-вспышка;

· газовый разряд в рабочем веществе (активной среде);

· инжекция (перенос) носителей тока в полупроводнике в зоне
р--п переходах;

· электронное возбуждение (облучение в вакууме чистого полупроводника потоком электронов);

· тепловой (нагревание газа с последующим его резким охлаждением;

· химический (использование энергии химических реакций) и некоторые другие.

Для того, чтобы активная среда излучала когерентный монохроматический свет, необходимо ввести обратную связь, т. е. часть излученного этой средой светового потока направить обратно в среду для осуществления вынужденного излучения. Положительная обратная связь осуществляется при помощи оптических резонаторов, которые в элементарном варианте представляют собой два соосно (параллельно и по одной оси) расположенных зеркала, одно из которых полупрозрачное, а другое -- «глухое», т. е. полностью отражает световой поток. Рабочее вещество (активная среда), в котором создана инверсная заселенность, располагают между зеркалами. Вынужденное излучение проходит через активную среду, усиливается, отражается от зеркала, вновь проходит через среду и еще более усиливается. Через полупрозрачное зеркало часть излучения испускается во внешнюю среду, а часть отражается обратно в среду и снова усиливается. При определенных условиях поток фотонов внутри рабочего вещества начнет лавинообразно нарастать, начнется генерация монохроматического когерентного света.

На рис. 2 схематично представлен принцип работы оптического резонатора. В ситуации, изображенной на рис. 2а, преобладающее количество частиц рабочего вещества, представленные светлыми кружками, находятся в основном состоянии, т. е. на нижнем энергетическом уровне. Лишь небольшое количество частиц, представленные темными кружками, находятся в электронно-возбужденном состоянии. При воздействии на рабочее вещество источником накачки (рис. 2) основное количество частиц переходит в возбужденное состояние (возросло количество темных кружков), создана инверсная заселенность. Далее (рис. 2) происходит спонтанное излучение некоторых частиц, находящихся в электронно-возбужденном состоянии. Излучение, направленное под углом к оси резонатора, покинет рабочее вещество и резонатор. Излучение, которое направлено вдоль оси резонатора, подойдет к зеркальной поверхности.

Рис. 2. Принцип работы оптического резонатора

У полупрозрачного зеркала (рис. 2) часть излучения пройдет сквозь него в окружающую среду, а часть отразится и снова направится в рабочее вещество, вовлекая в процесс вынужденного излучения частицы, находящиеся в возбужденном состоянии.

У «глухого» зеркала весь лучевой поток отразится и вновь пройдет рабочее вещество, индуцируя излучение всех оставшихся возбужденных частиц (рис. 2 д). На рис. 2 е отражена ситуация, когда все возбужденные частицы отдали свою запасенную энергию, а на выходе резонатора, на стороне полупрозрачного зеркала образовался мощный поток индуцированного излучения.

Основные конструктивные элементы лазеров включают в себя рабочее вещество с определенными энергетическими уровнями составляющих их атомов и молекул, источник накачки, создающий инверсную заселенность в рабочем веществе, и оптический резонатор. Существует большое количество различных лазеров, однако все они имеют одну и ту же и притом простую принципиальную схему устройства, которая представлена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема устройства лазера.

3. Особенности газов как материала для лазера

Энергетический спектр газа отличается от спектра твердого тела прежде всего тем, что он весьма точно соответствует разностям энергетических уровней отдельных атомов и молекул. Это свойство газов позволяет предсказать множество возможных схем энергетических переходов в различных газах.

Другая особенность газов - их высокая оптическая однородность. Плотность газа мала, поэтому свет в газе практически не рассеивается, и световой луч не искажается. Это позволяет использовать в газовых лазерах большие расстояния между зеркалами. Поэтому с помощью газового лазера легко получить высокую направленность и монохроматичность излучения.

Наряду с достоинствами газ как рабочая среда для лазера обладает и недостатком: плотность газа значительно ниже плотности твердых тел, и поэтому в единице объема газа нельзя получить такое большое количество возбужденных атомов, излучающих свет, как в твердом теле. В результате этого даже большие размеры газовых лазеров пока не дают возможности получить те высокие импульсные мощности, которые дают лазеры на твердом теле.

Одна из особенностей газов состоит в многообразии различных физических процессов, приводящих к образованию инверсии населенностей. Такими процессами являются неупругие соударения атомов разного "сорта", диссоциации молекул при соударении их в электрическом разряде, возбуждение атомов электронным ударом, светом и т.д.

Чаще всего инверсия населенностей создается в процессе электрического разряда. Эти лазеры называются газоразрядными.

4. Газовые лазеры

Газовыми называются лазеры, в которых активной средой являются газ, смесь нескольких газов или смесь газов с парами металла. Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также, по-видимому, посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.

Особенности газовых лазеров большей частью обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны, они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностыо, лучшей, чем в любом другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2000 А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область. Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя к. п. д. превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов.

Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие оптические длины резонатора и вследствие этого получать высокую направленность и монохроматичность излучения.

4.1 Газоразрядные лазеры

Активный элемент представляет собой трубку 1, заполненную смесью газов, в которой с помощью впаянных в нее электродов - анода 2 и катода 3 и источника питания ИП зажигается электрический разряд.

Трубка помещается в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами 4. Зеркала резонатора могут располагаться или внутри трубки, или вне ее. В первом случае необходимо специальное устройство, которое позволяло бы перемещать зеркала внутри разрядной трубки для их точной юстировки. Во втором случае при расположении зеркал резонатора вне рабочей трубки необходимо исключить потери при выводе лазерного излучения через ее торцы, так как эти потери происходят внутри резонатора. Исключить эти потери, обусловленные в основном френелевским отражением, можно, расположив выходные окна 5 на торцах трубки не перпендикулярно ее оси, а под углом, равным углу Брюстера и_Б. В этом случае, как следует из формулы, коэффициент отражения для волны, поляризованной параллельно плоскости падения, равен 0 и френелевские потери будут отсутствовать. Такие окна изображены на рис. 4. Они называются окнами Брюстера. Очевидно, что излучение лазера, внутри резонатора которого расположены окна Брюстера, будет плоскополяризованным, поскольку условие самовозбуждения будет в первую очередь выполняться для волны, вектор E которой параллелен плоскости падения и перпендикулярен оптической оси резонатора.

Одно из основных требований, которое предъявляется к энергетическим состояниям рабочего газа, - большая скорость опустошения нижнего лазерного уровня E^B₁ . Инверсия населенности в стационарном режиме может быть получена, если время жизни уровня E^B₂ определяется излучательными переходами на уровень E^B₁, вероятность которых меньше вероятности опустошения нижнего уровня E^B₂, т. е. ф₂ > ф₁. В противном случае при ф₂ << ф₁ инверсию населенностей между уровнями Е₂ и Е₁ в стационарном режиме получить невозможно, но ее можно получить в нестационарном, импульсном режиме с помощью так называемых самоограниченных переходов.

Атомарные лазеры - это лазеры, генерирующие на переходах между уровнями свободных атомов. Типичный лазер на нейтральных атомах -- это газоразрядный гелий-неоновый лазер, в котором используется смесь гелия и неона в соотношении примерно 10:1,5:1 при общем давлении в газоразрядной трубке около 80 Па.(рис.5) Вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передачи энергии атомам неона.

Рисунок 5

При возбуждении газовой смеси электрическим током (постоянным или переменным с частотой около 30 МГц) возникает тлеющий разряд, подобный разряду в рекламной неоновой лампе. В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня Е1 на долгоживущие возбужденные уровни Е4 и Е5. Инверсия населенностей создается благодаря большей населенности этих уровней по сравнению с короткоживущим уровнем Е3. В чистом неоне созданию инверсии населенности мешает метастабильный уровень Е2, поэтому полезным оказалось введения в рабочую смесь гелия. газоразрядный лазер квантовый

Под действием электрического разряда часть атомов гелия ионизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией. Эти электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их из основного состояния Е1на долгоживущие возбужденные уровни Е2и Е3, которые близки к уровням Е4и Е5неона. Поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона возникает высокая вероятность резонансной передачи возбуждения, в результате чего атомы неона оказываются на уровнях Е4 и Е5, а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Вероятность возбуждения атомов неона до уровней Е2 и Е3 за счет столкновений с атомами гелия мала, так как энергия этих состояний существенно отличается от энергии уровней Е2 и Е3 гелия. Таким образом, использование вспомогательного газа - гелия дает возможность осуществить дополнительно заселение энергетических уровней неона и получить инверсию населенностей между уровнями Е3 и Е4, Е5.

Поскольку уровень Е3 неона является короткоживущим, на переходах Е4 Е3 и Е5 Е3, можно получить непрерывную генерацию. Переходу Е4 Е3 соответствует генерация в ближней инфракрасной области с длиной волны 1,153 мкм, а переходу Е5 Е3 -- в красной области видимого спектра с длиной волны 0,6328 мкм. В диапазоне видимого и инфракрасного спектров гелий-неоновый лазер может содержать большое число (~130) спектральных линий. Выделение нужной спектральной линии осуществляется подбором зеркал оптического резонатора, введением в резонатор диспергирующего или селективно поглощающего элемента, постоянного магнита. Между уровнями Е4 и Е5 неона есть еще один короткоживущий уровень, переход атомов на который с уровня Е5 позволяет получить генерацию на длине волны 3,392 мкм.

В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газоразрядной трубке, длина которой может достигать 0,2…1 м. Трубка изготавливается из высококачественного стекла или кварца. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. Увеличение диаметра ведет к увеличению рабочей смеси, что способствует возрастанию мощности генерации. Однако с увеличением диаметра трубки уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов, что в конечном итоге снижает мощность генерации. Для уменьшения потерь торцы газоразрядной трубки закрыты плоскопараллельными пластинками, которые расположены не перпендикулярно к оси трубки, а так, чтобы нормаль к этой пластинке составляла с осью трубки угол iБ = arctg(n) (n - показатель преломления материала пластинки), называемый углом Брюстера. Особенность отражения электромагнитной волны от границы раздела различных сред под углом iБ широко применяется в лазерной технике. Установка выходных окон кювета с активной средой под углом Брюстера однозначно определяет поляризацию лазерного излучения. Для излучения, поляризованного в плоскости падения, потери в резонаторе минимальны. Естественно, именно это линейно-поляризованное излучение устанавливается в лазере и является преобладающим.

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 мощности 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 снабжена 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.

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. Интенсивные линии непрерывно действующих ионных лазеров на инертном газе

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. 4p->4s - переходы аргонового лазера

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

4.3.2 Области применения

Ионные лазеры на инертных газах относятся к разряду стандартных устройств для видимого непрерывного излучения в диапазоне от нескольких милливатт до 50 ватт. Особое значение аргоновые и криптоновые лазеры имеют при этом в красной и сине-зеленой областях спектра. Эти лазеры находят применение везде, где He-Ne- и He-Cd-лазеры оказываются недостаточно мощными. Особенно важным представляется их использование при лечении глаз в целях обработки сетчатки и для других медицинских целей. Среди прочих областей применения можно назвать полиграфическую промышленность (для экспонирования, изготовления видео- и аудиодисков), высокоскоростные лазерные принтеры, а также голографию. В результате смешения аргона и криптона получаются линии между красным и синим, которые могут смешиваться до достижения белого цвета: такие лазеры весьма популярны в создании разнообразных лазерных шоу. Кроме того, ионный аргоновый лазер используется для накачки лазеров на красителях и титан-сапфировых лазерных систем. При этом - путем соответствующей синхронизации мод - могут генерироваться импульсы в пико- и фемтосекундном диапазонах. Непрерывно перестраиваемые (сw)-лазеры также подлежат накачке с применением аргоновых лазеров.

4.4 Молекулярные лазеры