Основы квантовой электроники (стр. 16 )

Разрядная камера состоит из нижней сплошной металлической пластины 1, слоя диэлектрика 2 и верхних металлических пластин: сплошной 3 и секционированной 4. Электродами разряда поперечного типа являются: анодом–боковая поверхность 5 пластины 3, а катодами–поверхность 6 секций 4. При подаче на схему постоянного напряжения U от источника питания происходит зарядка ёмкостных накопителей С1–3 и С1–4 по цепи: дроссель L–диод Д–шунтирующий дроссель Lш. В результате при резонансном заряде напряжение на накопителях удваивается и достигает 2U, при этом напряжение между анодом и катодами UА‑К=0. При подаче на электронный ключ-разрядник 8 запускающего импульса, происходит быстрый перезаряд накопителей С1–4а…С1–4д до напряжения с обратной полярностью (–2U). Перезаряд начинается с дальней секции 4а и происходит далее по секциям 4б, 4в, 4г и 4д со сдвигом во времени, определяемом различным временем распространения электрических сигналов по кабельным линиям 7а–7д, соединяющим секции и разрядник. В результате между анодом и катодом каждой секции со сдвигом во времени возникает напряжение UА-К≈2U–(–2U)=4U, поочередно ”пробивающее” разрядные промежутки секций, т. е. возникает “бегущая волна” тока от секции 4а к секции 4д. Длина кабельных линий подобрана так, чтобы волна тока разряда в секциях распространялась синхронно с распространением световой волны лазерного излучения вдоль разрядного канала, что поддерживает оптимальные условия для усиления этого излучения.

Лазер работает либо без зеркал, либо только с задним зеркалом 9.

По схеме, аналогичной азотному, работает и лазер на электронных переходах в молекуле водорода с вакуумным УФ-излучением в полосе λ0,12…0,16мкм.

Рис. 4.5. Импульсный лазер на молекулярном азоте. а–диаграмма энергетических уровней молекулы N2; б – схема возбуждения лазера бегущей волной тока, оболочка разрядного канала не показана; в – эквивалентная электрическая схема

4.3. Лазеры с накачкой неупругими столкновениями 2 рода между частицами в газоразрядной плазме.

Накачка лазеров, работающих на смеси газов, осуществляется благодаря нескольким типам таких столкновений:

1) “резонансная” передача энергии возбуждения от метастабильных атомов (молекул) буферного газа–атому или иону рабочего газа, на квантовом переходе которого возникает инверсия населённостей;

2) передача энергии от метастабильного атома буферного газа атому рабочего газа, в результате чего последний становится положительным ионом в возбуждённом состоянии (пеннинговская ионизация или Пеннинг-процесс);

3) передача энергии и заряда от иона буферного газа атому рабочего газа, в результате чего последний становится положительным ионом в возбуждённом состоянии (“несимметричная” перезарядка в условиях “случайного резонанса”);

4) ударно-излучательная рекомбинация двукратно-заряженного иона рабочего газа A++ с электроном, в результате которой заселяется лазерный переход A+*;

5) ион-ионная рекомбинация положительного иона A+ с отрицательным ионом В–, в результате которой заселяется верхний лазерный уровень (AВ)* или A*.

Интенсивному протеканию таких реакций способствует накопление в плазме метастабильных атомов и молекул, а также ионов газов, которые образуются в плазме главным образом за счёт неупругих соударений 1-го рода с электронами.

4.3.1. Накачка “резонансной” передачей возбуждения в столкновениях между атомами. Гелий-неоновый лазер. Лазер работает на электронных квантовых переходах атома неона между верхними лазерными уровнями «2» электронных конфигураций: (1s22s22p5)5s и ( )4s, и нижними лазерными уровнями «1» конфигураций: ( )4p и ( )3p (рис.4.6). При переходах ( )5s→( )3р излучаются красная лазерная линия с λ632,8нм и ряд менее интенсивных лазерных линий (зелёная с l543нм, оранжевые: l594нм и l612нм и ближняя ИК с l730нм). Переходам ( )4s→( )3p и ( )5s→( )4p соответствуют две ИК-линии с λ1,15мкм и λ3,39мкм.

Время жизни состояний «2» определяется скоростью радиационных переходов Ne* в состояния «1», а состояний «1»–в долгоживущие состояния конфигурации ( )3s. В результате: τ2/τ1~3…5, благодаря чему создаётся стационарная инверсия и становится возможным непрерывный режим работы лазера.

Селективная «резонансная» накачка состояния «2» Ne*-( )5s происходит в смеси неона с гелием как результат эндотермической реакции передачи возбуждения от атома гелия Неm в метастабильном состоянии 21S–атому неона Ne0, а накачка состояния «2» Ne*-( )4s– как результат подобной экзотермической реакции передачи возбуждения: от атома гелия Неm 23S–атому неона Ne0 (рис.4.6,б, в).

Возбуждение смеси неона с гелием при соотношении pNe:pHe≈1:5 может осуществляться в ПС тлеющего стационарного разряда постоянного тока (несколько мА) (рис.4.7), или в высокочастотном разряде. Окна трубки изображенного на рисунке лазера ориентированы под углом Брюстера к оптической оси ООР, в результате излучение лазера становится линейно-поляризованным в плоскости падения луча на окно.

В лазере наблюдается конкуренция переходов с λ632,8нм и λ3,39мкм, имеющих общий верхний уровень ( )5s Ne*, а именно: появление генерации на λ3,39мкм, имеющей в λ3 раз больший коэффициент усиления (см., (1.41)), приводит к снижению мощности на λ632,8нм. Поэтому в достаточно длинных разрядных трубках лазера, работающего на λ632,8нм, предпринимаются меры по повышению потерь для λ3,39мкм путём введения в ООР лазера вспомогательной метановой поглощающей ячейки.

Линии λ1,15мкм и λ632,8нм конкурируют по нижнему уровню ( )3p Ne*.

Отметим, что передачи энергии возбуждения “в обратном направлении”: от Ne*«2»–к Неm, не происходит, т. к. концентрация N(Hem) в плазме значительно превышает концентрацию Ne*: N(21S Hem)>>N(5s Ne*) и N(23S Hem)>>N(4s Ne*). Это вызвано различием времён жизни данных состояний: τ(Hem)>>τ(5s и 4s Ne*).

	Процессы в плазме ПС, приводящие к накачке лазерных переходов
б)–ударное возбуждение гелия в метастабильные состояния Hem при неупругом столкновении 1-го рода He с электроном плазмы ПС
в)–передача возбуждения от Hem – атому Ne
Рис. 4.6. Диаграммы энергетических уровней гелия и неона («2» и «1»–верхние и нижние лазерные уровни неона соответственно, жирные стрелки–лазерные переходы в He-Ne лазере
Рис. 4.7. Конструкция He-Ne лазера (источник питания не показан). 1 – капилляр (область ПС разряда постоянного тока), 2 – анод («+» источника питания), 3 – катод («–» источника питания), 4 – “Брюстеровское” окно трубки, 5 – зеркала ООР, 6 – стеклянная оболочка трубки

В настоящее время He-Ne лазер является наиболее стабильным лазером, что и определяет его многочисленные применения. В частности, его линии излучения в видимой области на переходах ( )5s→( )3р могут дополнительно стабилизироваться по частоте с использованием в качестве репера линий поглощения паров йода, а ИК линия с λ3,39мкм–линии метана [12]. В результате длины волн линии излучения He‑Ne лазера являются стандартами длины волны в видимом и ИК диапазонах (подробнее, см., раздел 6).

4.3.2. Накачка передачей возбуждения в столкновениях между молекулами. Лазер на двуокиси углерода. Лазер работает на квантовых переходах между колебательно-вращательными уровнями основного электронного состояния молекулы CO2 (рис. 4.8). Верхние лазерные состояния «2» соответствуют “антисимметричным” колебаниям молекулы (00°1), а нижние «1» — “симметричным” (10°0) и “деформационным” (02°0) колебаниям. Невозбуждённое состояние молекулы обозначается как (00°0). Все колебательные уровни расщеплены на ряд вращательных подуровней, что приводит к большому числу линий генерации в ИК диапазоне: λ9,4…10,6мкм. Поскольку вероятность спонтанного излучения Aik~ν3 (1.11), то для ИК-переходов в молекуле CO2 она оказывается значительно меньшей, чем для переходов в видимом диапазоне, и поэтому релаксация уровней в CO2 лазере происходит главным образом столкновениями. Времена жизни: состояний «2»(00°1)–τ2~10–3с, а состояний «1» (10°0 и 02°0) – τ1~2∙10–5с.

Соотношение τ2/τ1~50, что определяет стационарную инверсию и возможность непрерывного режима работы лазера. Накачка уровней «2» молекулы CO2 может осуществляться и столкновениями 1-го рода с электронами плазмы, однако гораздо более эффективно она происходит в смеси двуокиси углерода с азотом путём передачи энергии молекуле CO2(00°0) от колебательно-возбуждённого долгоживущего состояния X1Sg+ молекулы азота N2* при эндотермической реакции

N2* (X1S+g)+CO2(00°0)+DE(~kT) ® (N2)0 + CO2 «2»(00°1). (4.3)

Молекулы N2*, в свою очередь, создаются в разряде ударным возбуждением молекул азота (N2)0 электронами плазмы ПС.

Состояния CO2 «1» распадаются и интенсивно заселяют состояние 01°0:

CO2(10°0) + CO2(00°0)→2CO2(01°0) и CO2(02°0)+CO2(00°0)→2CO2(01°0). (4.4)