Основы квантовой электроники (стр. 17 )

Это приводит к нежелательному заселению нижних лазерных уровней столкновениями CO2(01°0)+CO2(01°0). Для дезактивации состояния CO2 (01°0) в газовую смесь CO2+N2 вводят гелий, который, кроме того, охлаждает CO2 в объёме ПС. Соотношение давлений: ≈1:1:8.

Для возбуждения смеси CO2-N2-Не при средних давлениях используются одно - и многоканальные (“волноводные”), разрядные трубки с продольным разрядом, воздушным и водяным охлаждением. Проблемой, возникающей в лазере, является деградация смеси в разряде, вызванная диссоциацией молекул двуокиси углерода: 2CO2→2CO+O2, поэтому смесь приходится обновлять путём ее прокачки через зону разряда. Быстрая прокачка в поперечном направлении по отношению к оси оптического резонатора позволяет, кроме обновления смеси, убирать из разряда “горячие” молекулы, а также возбуждённые молекулы CO2 в состоянии (01°0). Энергия возбуждения верхних лазерных уровней молекулы CO2 составляет 0,28эВ и на 2 порядка ниже, чем у Ar+ и He-Ne лазеров, что определяет значительно более высокий КПД CO2 лазера (до 0,4).

Лазеры на смеси CO2-N2-He с продольным разрядом позволяют получать в непрерывном режиме мощность около 1кВт в расчёте на метр длины активной среды.

Во много раз большую мощность имеют электроионизационные лазеры с “несамостоятельным” разрядом “поперечного” типа и предионизацией, работающие при высоком давлении газовой смеси только в импульсном режиме. В таких лазерах, называемых “ТЕА-лазерами” (“ТЕА” – аббревиатура от: “Transverse Excitation Atmospheric pressure”), используется ПС разряда, в котором вектор электрического поля Ē направлен перпендикулярно оптической оси резонатора (разряд «поперечного» типа). После приложения к электродам напряжения U, меньшего, чем напряжение зажигания Uзаж, т. е. U<Uзаж, разряд не возникает. Зажигание однородного объёмного разряда происходит в момент включения источника дополнительной ионизации: либо путём облучения межэлектродного промежутка импульсом УФ-излучения через прозрачную стенку разрядной кюветы, либо путём введения в межэлектродный промежуток лазера пучка быстрых электронов через тонкую металлическую фольгу. В результате мощность ТЕА-лазера достигает десятков тераватт.

Рис. 4.8. Диаграммы нижних колебательно-вращательных уровней основного электронного состояния молекул азота N2 и двуокиси углерода CO2

Лазеры на двуокиси углерода применяются: в технологии для обработки материалов, в экспериментах по управляемым ядерным реакциям, в хирургии, а также–в метрологии.

Передачей возбуждения в столкновениях между молекулой синглетного кислорода и йодом накачивается химический кислородно-йодный лазер (подробнее см., раздел 4.6).

4.3.3. Накачка Пеннинг-процессом. Ионный лазер на парах кадмия. Лазер работает на электронных квантовых переходах в спектре однократно ионизированного кадмия (рис. 4.9,а). Верхние лазерные уровни «2» представляют собой две компоненты тонкой структуры (ТС) состояния иона кадмия Cd+* 2D*3/2,5/2 с электронной конфигурацией (1s22s22p63s23p63d104s24p6)4d95s2, образованной удалением электрона из «внутренней» 4d-подоболочки (т. наз. “Бейтлеровский” терм). Нижние лазерные уровни «1»–также две компоненты ТС Cd+* 52P1/2,3/2 “одноэлектронной” системы термов иона кадмия Cd0+* состояния с электронной конфигурацией (1s2…4p6)4d105p, получающегося при ионизации 5s-оболочки. Уровни «2» релаксируют путём радиационных переходов только в состояние «1», и поскольку переход “двухэлектронный”, их вероятность невысока, и время жизни уровней «2» τ2≈800нс. Уровни «1» являются резонансными уровнями иона кадмия, и их время жизни τ1≈2нс. В результате τ2/τ1~4·102, благодаря чему возможно создание стационарной инверсии и реализации непрерывного режима работы лазера на трёх переходах: с λ441,6нм (синяя линия), λ325нм и λ353,6нм (УФ-линии).

Накачка уровней «2» может происходить и столкновениями 1-го рода электронов с атомами кадмия в основном состоянии, однако гораздо эффективнее она осуществляется посредством нерезонансной экзотермической реакции пеннинговской ионизации кадмия при столкновении атомов Cd с метастабильными атомами Неm при разряде в смеси паров кадмия с гелием (рис. 4.9,б,в).

“Нерезонансность” объясняется появлением в результате реакции третьей частицы–электрона, который уносит в данном случае разницу ΔЕ между энергией Hem и энергией состояний «2»Cd+*, и поэтому накачку эффективно осуществляют атомы гелия в обоих метастабильных состояниях: 21S и 23S.

	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)–ионизация с возбуждением атома Cd0 при его неупругом столкновении 2-го рода с Hem (Пеннинг-процесс)
Рис. 4.9. Диаграммы возбуждённых уровней атома гелия (Неm), иона гелия (Не+) и однократно ионизированного кадмия («2» и «1» верхние и нижние лазерные уровни Cd+* соответственно, жирные стрелки–лазерные переходы в He-Cd+ лазерах с ПС (Пеннинг-процесс) и РПК (перезарядка).

Возбуждение смеси гелия с парами кадмия осуществляется в разрядной трубке с тлеющим разрядом (рис. 4.10), принципиально отличающейся от трубки He-Ne лазера лишь наличием испарителя с кадмием вблизи анода, и конденсатора паров кадмия (зоны с малой температурой)–вблизи катода. Испаряющиеся атомы кадмия ионизируются в разряде, за счёт дрейфа ионов Cd+ в электрическом поле ПС (явление катафореза) кадмий транспортируется в направлении катода, и в конденсаторе паров атомы кадмия выводятся из разряда. После переноса всего имеющегося в испарителе кадмия, направление потока паров изменяется на обратное путём перемены функций электродов: анода и катода, а также испарителя и холодильника.

Роль буферного газа гелия в данном лазере состоит в:

1) предварительном зажигании разряда и “саморазогреве” трубки до температуры, препятствующей конденсации в ней паров кадмия при катафорезе,

2) накачке рабочего перехода Пеннинг-процессом,

3) защите выходных оптических окон трубки от конденсации на них паров металла.

He-Cd+ лазеры различных размеров имеют выходную мощность на λ441,6нм от единиц мВт до 200мВт, а на λ325нм–до 50мВт, и используются в системах обработки информации, голографии (см., раздел 6), спектроскопии и др.

Рис. 4. 10 – Схема ионного лазера на парáх металла с продольным разрядом и введением паров металла с помощью катафореза. Источник питания не показан. 1 – анод («+» источника питания), 2 – катод («–» источника питания), 3 – капилляр разрядной трубки (область ПС), 4 – “Брюстеровское” окно трубки, 5 – испаритель, 6 – конденсатор паров (холодильник), 7 – зеркала ООР
Процессы в плазме ПС, приводящие к накачке лазерных переходов He-Se ионного лазера
а)–ударная ионизация гелия при неупругом столкновении 1-го рода атома He с электроном плазмы ПС
б)–ионизация с возбуждением атома Se0 при его неупругом столкновении 2-го рода с ионом гелия He0+ (перезарядка)
Рис. 4.11. Этапы накачки “перезарядкой в условиях случайного резонанса” – ионизацией с возбуждением атома Se при его столкновении с ионом He+

4.3.4. Накачка перезарядкой. Ионный лазер на парáх селена. Лазер работает на электронных квантовых переходах в спектре однократно ионизированного селена. Верхние лазерные уровни «2» являются дублетными и квартетными термами 4P и 2,4D электронной конфигурации (1s2…3d10)4s24p25p Se+*. Нижние лазерные уровни «1» относятся к конфигурациям ( )4s24p24d, ( )4s24p25s и ( )4s4p4. Уровни «2» распадаются “по лазерному переходу”, а уровни «1»–быстрыми резонансными переходами в основное состояние иона Se0+. В результате τ2/τ1~5…10, благодаря чему стационарная инверсия создаётся более чем на 50-ти ионных лазерных переходах селена, и происходит непрерывная генерация в диапазоне длин волн 0,44…1,2мкм. Шесть наиболее интенсивных лазерных линий Se+* лежат в сине-зелёной и зелёной частях спектра в диапазоне 0,49…0,531мкм.

Энергия возбуждения верхних лазерных уровней «2» иона селена близка к энергии основного состояния иона гелия He0+-1s 2S1/2, и поэтому эти уровни могут селективно заселяться посредством реакции перезарядки при столкновениях атомов селена Se0 с ионами He0+ в газоразрядной плазме (рис. 4. 11).

Разрядная трубка He-Se+ лазера с накачкой в ПС имеет такую же конструкцию, что и трубка He-Cd+ катафорезного лазера (рис. 4. 10). He-Se+ лазер излучает на сине-зелёных и зелёных линиях с суммарной мощностью до 200мВт (такой же, как и в He-Cd+ лазере на синей линии). Отметим, что линии излучения He-Se+ лазера в зелёной области могут стабилизироваться по частоте с использованием в качестве репера линий поглощения паров йода [12].