2. Устройство и принцип действия газовых лазеров.

В этих лазерах активной средой является газ, смесь газов или пары некоторых веществ, заключенные в стеклянную или кварцевую трубку. Накачка осуществляется тлеющим или дуговым электрическим разрядом, который создается либо постоянным током, либо током высокой частоты (1 0. . . 50 МГц).

В зависимости от выбора активной среды их можно разделить на три группы:

• на нейтральных атомах (например, гелий-неоновый лазер)

• ионные (например, аргоновый лазер)

• молекулярные ( например, на смеси СО₂+N₂+He).

Указанные лазеры освоены промышленностью и нашли наиболее широкое практическое применение. С помощью газовых лазеров удается получить излучение от ультрафиолетового(= 0.2 мкм) до субмиллиметрового ( = 337 мкм) диапазона волн. Лазерная генерация в газовом разряде получена более чем на 5000 переходах атомов, ионов и молекул, почти на половине всех известных химических элементов и более 100 химических соединений. Этого не позволяют достичь ни твердотельные, ни полупроводниковые лазеры. По режиму генерирования они делятся на непрерывные и импульсные.

Наиболее широко применяемыми в оптоэлектронике среди приборов этой группы являются гелий-неоновые лазеры. Активный элемент такого лазера представляет собой герметизированную трубку (стеклянную, металлическую, металлокерамическую) с п

Рис.4. Функциональная схема гелий-неонового лазера

розрачными световыводящими окнами в торцах, рис.4.

В трубке имеются электроды для возбуждения газового разряда (наибольшая долговечность и стабильность достигается при .использовании холодного алюминиевого катода), зеркала резонатора закрепляются на торцах активного элемента, внутренний объем заполнен газовой смесью Не-Nе при давлении 1...5 мм рт. ст., причем массовая доля гелия в смеси в 5...10 раз больше, чем неона.

М

Рис.5. Упрощенная схема энергетических уровней и квантовых переходов.

еханизм возбуждения активной среды и возникновения стимулированного излучения может быть отнесен к модифицированной четырехуровневой схеме, рис. 5.

Рабочим веществом являются нейтральные атомы неона Ne. Возбуждаясь, они переходят с основного энергетического уровня Е₁ на уровни Е₄ и Е₅, на которых время существования атома относительно велико (10^-3 с.). Попаданию возбужденных атомов неона на уровни Е₄ и Е₅ в активной среде из чистого Ne мешает метастабильный уровень Е₂ . Чтобы устранить эту трудность вводят атомы Не в соотношении от 1:5 до 1:10 (с избытком гелия). Энергии уровней Е₂ и Е₃ атомов гелия точно совпадают с энергиями уровней Е₄ и Е₅ атомов неона.

При столкновении возбужденных атомов Не с невозбужденными атомами Ne происходит резонансная передача возбуждения , в результате которой атомы Nе перейдут на уровни Е₄ и Е₅ , а атомы Не вернуться на уровень Е₁ в основное свое состояние, то есть источником дополнительного возбуждения атомов Ne являются атомы Не.

Переходы с уровней Е₅ и Е₄ на более низкие сопровождаются стимулированной генерацией на волнах:

• = 0, 6328 мкм при переходе с уровня Е₅ на более низкие;

• = 0, 6328 мкм при переходе с уровня Е₄ на более низкие.

Из описанного механизма следует ряд характерных особенностей Не-Nе лазеров. Во-первых, это низкий КПД преобразования энергии, обусловленный прежде всего очень неэкономичным возбуждением атомов Не: полезно используется не более 5% энергии электронов газовой плазмы. Во-вторых, это невысокая мощность излучения: попытка повысить объем активной среды путем увеличения диаметра трубки ведет к уменьшению вероятности соударений атомов Nе и к резкому снижению интенсивности вынужденных переходов. В-третьих, это исключительно узкая ширина полосы генерации, обусловленная разреженностью газа и отсутствием взаимодействия отдельных излучающих атомов.

Параметры типичного Не-Nе .лазера с трубкой длиной 30...40 см и диаметром в несколько сантиметров следующие: Ризл =10 мВт, КПД = 0,1...0,5%,  = 10^-7...10^-9 (до 10^-12 у отдельных образцов), диаметр луча 0,3 ... 2 мм.

Существенным недостатком газовых лазеров является высокое напряжение возбуждения (около 1 кВ при горении и до 10 кВ при возбуждении разряда); вследствие этого габаритные размеры источника питания в несколько раз больше, чем активного элемента, а общая их масса составляет обычно несколько килограмм.

Попытки миниатюризации этих лазеров приводят к заключению, что вряд ли их длина может быть намного меньше 10 см - это обусловлено малым значением коэффициента усиления разреженных газов.