Вопрос 2. 5 минут. Классификация лазеров.

Лазеры можно классифицировать по особенностям активной среды (твердотельные лазеры, газовые лазеры, лазеры на красителях) и по способу накачки (лазеры с оптической накачкой, газоразрядные лазеры, химические лазеры). Но любая из классификаций не выглядит убедительной, так как в рамки одного и того же класса попадают системы, совершенно не похожие по другим признакам. По совокупности признаков (среда, способ накачки, генерируемая мощность и др.) удобно выделить следующие виды лазеров.

1. Твердотельные лазеры на люминесцирующих средах (лазеры на стеклах, рубиновые лазеры и т. п.); накачка оптическая. Мощные лазеры. Применение: лазерная технология (сварка, закалка, в установках лазерного термоядерного синтеза), лазерная спектроскопия и т. п.

2. Электроразрядные лазеры низкого давления на благорадных газах (He-Ne, He-Xe). Маломощные лазеры, излучение высокой монохроматичности и направленности. Применение: спектроскопия, настройка оптических систем.

3. N₂-,CO₂- и CO-лазеры высокого давления; накачка - электроионизационный разряд в газах. Практически достижимая мощность более 10 кВт. Применение: спектроскопия, лазерная химия, медицина, технология.

4. Ионный аргоновый лазер; накачка - газовый разряд. Мощность несколько десятков Вт. Применение: спектроскопия, нелинейная оптика, медицина.

5. Полуповодниковые лазеры; накачка инжекцией через гетеропереход или электронным пучком. Лазеры миниатюрны, имеют большой кпд. Применение: оптические линии связи, звуко- и видиосистемы. Перспективны для лазерного телевидения.

6. Лазеры на красителях (рабочая среда - жидкость); оптическая накачка. Основное достоинство - большой диапазон плавной перестройки частоты генерируемого излучения.

7. Химические лазеры. Основной источник энергии - химические реакции между компонентами рабочей среды. Мощные лазеры. ИК- область излучения. Применение: спектроскопия, лазерная химия.

8. Лазеры на свободных электронах. С ними связываются дальнейшие перспективы развития лазеров. Однако систем, работающих в видимом диапазоне и имеющих практическое значение пока нет.

9. Гамма-лазеры и лазеры рентгеновского диапазона. Широко обсуждаются в литературе. Есть экспериментальные образцы.

Вопрос 3. 5 минут. Гелий-неоновый лазер.

Принципиальная схема гелий-неонового лазера изображена на рис.5:

2

3

1

4

5

Рис. 5

1 - газоразрядная стеклянная трубка, = несколькo мм. Торцы трубки замкнуты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками, ориентированными под углом Брюстера к оси трубки. Давление гелия в трубке примерно 1мм рт.ст., давление неона - 0,1 мм рт.ст. Трубка имеет катод 2, накаливаемый низковольтным источником питания, и цилиндрический пустотелый анод 3. Между катодом и анодом на трубку накладывается напряжение 1 - 2,5 кВ. Разрядный ток в ней равен нескольким десяткам мА. Разрядная трубка гелий-неонового лазера помещается между зеркалами 4, 5. Зеркала, обычно сферические, делаются с многослойными диэлектрическими покрытиями, имеющими высокие значения коэффициента отражения и почти не обладающие поглощением света. Пропускание одного зеркала составляет обычно около 2%, другого- менее 1%.

При нагретом катоде трубки и включенном анодном напряжении трубка светится, и в ней отчетливо виден газоразрядный столб розового цвета. При правильной ориентации через оба зеркала (но в особенности через зеркала с большим значением коэффициента пропускания) распространяются хорошо коллимированные интенсивные пучки монохроматического (красного) света ( = 632,8 нм). Эти пучки возникают в результате генерации излучения гелий-неонового лазера.

Ne

E₃

E₄

He

E₃

3390 нм

E₂

E₂

632,8 нм

E₁

1150 нм

Рис. 6.

E₀

E₀

На рис. 6. приведена упрощенная схема уровней энергии атома неона (справа). Излучению с длинами волн 632,8 нм и 1150 нм соответствуют переходы E₃ - E₁ и E₂ - E₁. Помимо уровней E₄, E₃, E₂, E₁ атом неона имеет ещё 28 состояний с энергиями, меньшими E₃, но мы их не рассматриваем. В результате столкновений с электронами газоразрядной плазмы часть атомов возбуждается, что отмечено на рис.6 вертикальными пунктирными стрелками. При определенных режимах разряда этот процесс оказывается достаточным для образования инверсной заселенности уровней E₂ и E₁. Однако уровни E₃, E₁ и E₃, E₄; переходы между которыми отвечают = 632,8 нм и = 3390 нм, заселены не инверсно.

Положение изменяется, если в разрядную трубку ввести гелий. Гелий обладает двумя долгоживущими (метастабильными) состояниями E₂, E₃, показанными на левой части рис. 6; эти состояния возбуждаются при столкновениях с электронами и ввиду большой длительности их существования, концентрация метастабильных атомов гелия в разряде очень велика. Энергии E₃,E₂ метастабильных состояний гелия очень близки к энергиям E₃,E₂ неона, что благоприятно для передачи энергии возбуждения от гелия к неону при их столкновениях. Эти процессы символизируются горизонтальными пунктирными стрелками. В результате концентрация атомов неона, находящихся на уровнях E₃, E₂, резко увеличивается, и возникает инверсная заселенность уровней E₃ и E₁, а разность заселенностей уровней E₂ и E₁ увеличивается в несколько раз. Таким образом, добавление гелия к неону (5:1 - 10:1) весьма существенно для генерации в гелий-неоновом газовом лазере.