4. Мощность(энергия)накачкилазера

На основании структурных схем трансформации мощности (энергии)накачки в излучение лазеров и с учетом пороговых условий генерации можнозаписатьвыражения,которые определяют:

–энергиюнакачкиимпульсноголазера

_W^Wп АС^{н }нак

• ^W;

₀

–мощностьнакачкилазеранепрерывногорежима

_P^РпАС^{н }нак

• ^Р,

₀

гдеР_пАС, (W_пАС) – пороговаямощность (энергия) возбуждения АС.ПороговаяэнергиявозбужденияАСопределяетсяминимальной(поро-

говой) долей частицA, которые необходимо возбудить на верхний лазерныйуровень для выполнения условия генерацииW_пАС=AnVW_воз, гдеп– концен-трациячастиц вАС;V– объем активнойсреды.

Значения концентрации частиц в АС зависят от типа лазера. Например,дляГРЛзначенияnрассчитываютсяисходяиздавленияактивнойгазовой

среды(р=nkT_АС):

^PпАС

W_пАС/t_2.

6. Основные типы лазеров

   1. Газоразрядныелазеры

Возбуждение(накачка)активныхгазовыхсредосуществляетсяне-сколькими методами, к числу которых можно отнести пропускание электри-ческого тока через газ, оптическую, тепловую, химическую накачки; облуче-ние потоком электронов и др. Наибольшее распространение на практике по-лучил первый метод – возбуждение в газовом промежутке электрическогоразряда. Лазеры, основанные на данном методе возбуждения активной среды,называются газоразрядными. Характерным для газоразрядных лазеров (ГРЛ)режимом работы является непрерывный режим. ГРЛ – рекордсмены по раз-нообразию используемых активных сред, а, следовательно, и по спектру ге-нерируемыхдлинволн.Диапазонгенерируемойсреднеймощностиизлуче-

ния ГРЛ колеблется от десятых долей милливатта у маломощных лазеров доединиц–десятков киловатт у мощных технологических лазеров. Серийные га-зоразрядные лазеры используют достаточно ограниченный набор активныхсред, обладающих относительно высокими усилительными свойствами. К ихчислу относятся: атомарные гелий-неоновые лазеры, способные работать нанескольких длинах волн (0,63; 1,15 и 3,39 мкм); молекулярные лазеры ин-фракрасного диапазона на углекислом газе (СО₂-лазеры), генерирующие вобласти 10,6 и 9,4 мкм, и на оксиде углерода (СО-лазеры) с λ = 5,4 мкм; ион-ные лазеры дугового разряда на аргоне(λ = 0,48...0,51 мкм)и криптоне (λ =0,65 мкм), а также катафорезные ионные лазеры на парах металлов: гелий-кадмиевые с длинами волн генерации 0,44 и 0,32 мкм и гелий-селеновые сосновной длиной волны λ = 0,53 мкм. Производятся импульсные ГРЛ на мо-лекулярном азоте (N₂-лазеры) с λ = 0,34 мкм, импульсные лазеры на парахмеди(Cu-лазеры)сλ =0,51...0,57 мкм инекоторыедругие типылазеров.

1. Гелий-неоновыелазеры

Гелий-неоновые(He-Ne) лазеры относятся к классу газоразрядных ла-зеров на нейтральных атомах – атомарных лазеров. Их активной средой (АС)служит возбужденная газовая смесь, состоящая из рабочего излучающего га-за– неона ибуферногогаза – гелия.

Возбуждение АС лазера происходит по четырехуровневой схеме в сла-боионизованной плазме положительного столба (ПС) тлеющего разряда, про-текающегомеждуэлектродамиузкойпротяженнойгазоразряднойтрубки.

При столкновениях с электронами ПС, имеющими температуруT_eпорядка10⁵К, эффективно заселяются метастабильные уровни возбужденного атомагелия 2¹s₀и2³s₁(рис. 7.1). В дальнейшем энергия возбуждения атомов гелияпутем неупругих столкновений передается атомам неона, после чего частич-ноизлучается ввиде квантаизлучения:

He^*+e^–(W₁)=He^*+e^–(W_2<W₁);

He^{*+ Ne =}He +Ne^*; Ne^*=Ne+hν

(7.1)

гдеW₁,W_2–энергииэлектронов,соответственно,доипослестолкновениясатомомгелия;hν– энергияквантаиндуцированногоизлучения.

Дляпротеканияреакции(7.1)внужномнаправлении(слеванаправо)

необходимообеспечитьследующеесоотношениепарциальныхдавленийге-лияинеонаp(He):p(Ne)=(5:1)...(15:1).Отклонениеотуказанногоусловия

приводит к снижению эффективности обменного процесса, а соответственно,и к спаду генерируемой лазером мощности. Реализация процесса передачиэнергии по типу реакции (7.1) возможна только в том случае, когда энергиявозбуждения метастабильного уровня атома буферного газа равна энергиивозбужденияверхнеголазерногоуровнярабочегогазаилиблизкакней.Данноеусловие выполняетсядля атомовHe иNe.

W, 2¹s₀ 3s₂ 3390 нм 3p₄

эВ

^23s1 ^{633 нм}

19 2s₂ 1150 нм 2p₄

Электронный

18 удар

Спонтанное

17 1s излучение

He Ne Диффузияк стенкам

0

Рис.7.1.ЭнергетическаядиаграммаHe-Ne-лазера

Наибольшим усилением обладает ИК-лазерный переход с длиной вол-ны λ = 3390 нм. Для этого перехода ненасыщенный показатель усиления κ_усможет достигать значений 100 %/м и выше. Чаще используется пусть и сла-бый (с κ_ус= 0,04 … 0,08 %/м), но удобный для практики переход с длинойволныλ =633нм.

Необходимая длина волны генерации выбирается с помощью зеркалоптического резонатора, обладающих селективной отражательной способно-стью. Селективность зеркал достигается изготовлением отражающих покры-тий в виде чередующихся λ/4-слоев из двух материалов с различными пока-зателями преломления. Эффективное подавление генерации с λ = 3390 нмпроисходит при наложении на активную среду неоднородного поперечногомагнитногополя.ПоложительныйэффектдаетиспользованиевыходныхоконБрюстера,изготовленныхизоптическогостеклавместоплавленогокварца.

Для обеспечения генерации лазера требуется создание инверсии насе-ленностейрабочихуровней,когдаконцентрациявозбужденныхатомовна

верхнемлазерномуровне(n₂)становитсябольше,чемнанижнемуровне(n₁):

Δn=n₂– n₁> 0. Поддержание инверсной населенности в АС достигается засчет эффективного заселения верхнего уровня и быстрого опустошения ниж-него.Времяжизниверхнеголазерногоуровнясоставляет1мкс,аэнергия

возбуждения превышает 20 эВ (рис. 7.1). Столь высокие энергии возбужде-нияАСпредопределяютиспользованиевысоковольтного тлеющегоразрядас

достаточно высокойT_e, но, к сожалению, с низкой плотностью разрядноготока. Энергия кванта излучения с λ = 633 нм составляет всего 5% от энергии,затрачиваемойнапроцессвозбужденияАС.Итог–низкийКПДАС.Реали-

зуемые в большинстве He-Ne-лазеров значенияT_eсоответствуют значениямнаиболее вероятных энергий электронов порядка 8 … 9 эВ. Тогда зона воз-буждения АС с энергиями на уровне 20…22 эВ оказывается на «хвосте» рас-пределения электронов по энергиям. В таких условиях электронный КПД –доля энергии электронов, затрачиваемая на возбуждение верхнего лазерногоуровня,непревышает единицпроцентов.

В He-Ne-лазере девозбуждение нижнего лазерного уровня всех трех пе-реходов происходит через общее метастабильное состояние неона 1s. Пере-ход с 1s-уровня возбужденных атомов в основное состояние неона возможентолько при их столкновениях со стенками разрядного капилляра. В результа-те диаметрdразрядного канала гелий-неонового лазера не превышает, обыч-но,1...3 мм,аобъем активнойсреды оказывается весьмамалым.

Для гелий-неоновых лазеров оптимальное значение произведения сум-марного давления на диаметр разрядного канала (рd)_optлежит в диапазоне0,44...0,53Па·м.Приэтихусловияхобеспечиваетсяоптимальная,сточки

зрения выхода генерации, электронная температураT_e. Уменьшение давле-ниягазаприводиткснижениючислаизлучающихчастиц.Одновременный

ростT_eсопровождается увеличением доли энергии электронов, расходуемойна ионизацию газа. В итоге выходная мощность лазера падает. Рост суммар-ногодавлениягазовойсмесисвышеегооптимальногозначенияснижаетT_e,

уменьшаяэффективностьвозбужденияметастабильныхсостоянийбуферно-

го газа – гелия. Одновременно в объеме газа увеличиваются потери энергииэлектронов,что такжеослабляет уровеньгенерации.

Вероятностьвозбужденияатомовпропорциональнапроизведениюконцентраций возбуждаемых и возбуждающих частиц. Поэтому оптимальноедавление газовой смеси зависит (при прочих равных условиях) и от разряд-ного тока: чем больше ток, тем при меньших давлениях выполняютсяопти-мальныеусловиягенерации.

Разрядный токIопределяет в первом приближении концентрацию элек-тронов–первичныхвозбуждающихчастиц.Росттокаразрядасопровожда-

ется повышением концентрации возбужденных частиц. При достижении по-рогового токаI_порнаселенности верхнего и нижнего лазерных уровней вы-равниваются:n₂₌n_{1и далее начинается генерация. Возрастание тока на}начальномучасткеприI>I_порсопровождаетсяповышениемуровнягенера-

циилазера.Дальнейшееувеличениетокаприводиткактивизациипроцесса

заселения нижнего лазерного уровня неона за счет прямых соударений ато-мов Ne с электронами. Одновременное повышение температуры газа усили-вает тепловые процессы и стимулирует рост спонтанного излучения с верх-него лазерного уровня. В результате уменьшается инверсия населенности, ипри определенном предельном токеI_limразряда, происходит срыв генерации.Таким образом, энергетическая характеристика He-Ne-лазера – зависимостьмощностиPгенерацииоттокаIразряда– имеетвид кривойсмаксимумом.

Генерация в лазере возникает, если усиление в активной среде компен-сирует все виды потерь: паразитные, возникающие из-за поглощения и рас-сеяния на оптических элементах, и "полезные", обусловленные выходом ра-бочего пучка изрезонатора:

κ_порL= κ_потL+ ln(ρ₁ρ₂)^–1/2, (7.2)гдеκ_пор–пороговыйпоказательусиления,пропорциональныйинверсиинаселенности,м^–1;L–протяженностьактивнойсреды;κ_пот–показательпо-

терь,обусловленныхраспределенным поглощением;ρ₁,ρ₂-коэффициентыотражениязеркалоптическогорезонатора(ρ₁₌1–α_1–τ₁,ρ₂₌1–α_2–τ₂,где

α₁,α_2–потериназеркалахоптическогорезонатора;τ₁,τ_2–коэффициентыпропусканиязеркал).

Для гелий-неоновоголазера типичнызначения коэффициентов потерьα₁₌α₂₌2…3%ипропусканияτ₁₌0,1…0,2%,τ₂₌1,5…3%призначении

κ_пот= 0. Слабое усиление АС и относительно высокий уровень потерь огра-ничиваютдопустимоепропусканиерабочихзеркализаметноуменьшаютКПД оптического резонатора. Пороговые условия генерации (7.2) выполня-ютсявлазерах спротяженностьюактивнойсредыне менее100 …150 мм.

Конструктивно He-Ne-лазеры выполняются в виде узких протяженныхразрядных трубок, имеющих на концах электродные узлы. В современныхHe-Ne-лазерахиспользуютсякоаксиальныеконструкции,вкоторыхкатодрасполагается соосно с разрядным капилляром. Материал катода – алюми-ний,стойкийкионнойбомбардировкевусловияхгелий-неоновогоразряда.

На торцах разрядного капилляра расположены выходные окна. Для умень-шенияпотерьврезонатореокнарасполагаютсяподугломБрюстераΘ_Брк

оси капилляра: tg Θ_Бр=n, гдеn– показатель преломления материала окна.Излучениелазера,имеющегоокнаБрюстера,линейнополяризовано.

Всилурассмотренныхвышефизическихособенностейгелий-неоновые

лазеры относятся к числу принципиально маломощных. Максимальная мощ-ность излучения не превышает 100 мВт при КПД He-Ne-лазера порядка со-тыхдолей процента.