Основы квантовой электроники (стр. 18 )

Очевидно, что Оба описанных лазера: He-Cd+ (с синим излучением) и He-Se+ (с зелёным излучением) удачно дополняют He-Ne лазер, излучающий на красной линии, и в результате эти три лазера можно использовать для синтеза цветных изображений.

Рис. 4.12. Схема ионного лазера на парах металла с РПК (оболочка разрядной трубки и источник питания не показаны)

4.3.5. Накачка атомов металлов перезарядкой в плазме ОС. Лазеры с РПК. Активной средой газоразрядного лазера, возбуждаемой ударами второго рода, с неменьшим успехом, чем ПС, может служить плазма двух других видов [10]: плазма ОС катодной области аномального тлеющего разряда постоянного тока и плазма высокочастотного разряда “ёмкостного” типа.

В качестве примера таких лазеров рассмотрим лазер с накачкой активной среды в разряде постоянного тока с полым катодом (РПК). Если изготовить катод с полостью, то можно подобрать такое давление газа, что полость будет заполнена плазмой ОС (рис. 4.12). Принципиальным отличием лазерной трубки с РПК от трубки с ПС является то, что направление вектора электрического поля разряда оказывается перпендикулярным оптической оси лазера, т. е. вид разряда в отличие от “продольного” в лазерах с ПС, становится “поперечным”. По сравнению с ПС, в плазме ОС РПК появляется большое число высокоэнергетических электронов, отсутствует продольный дрейф ионов и возникает существенный выигрыш в параметрах генерации для накачиваемых перезарядкой ионных лазеров, таких как лазеры на парах Hg, Cd, Zn, Tl, Cu, Ag, Au–в смеси с гелием, и на парах Tl, Cu, Ag, Al– в смеси с неоном.

Все эти лазеры имеют благоприятное соотношение времен жизни уровней: τ2/τ1>1, могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме свободной генерации (см., раздел 3), излучая в видимом, ИК - и УФ-диапазонах длин волн, а линия с λ224,3нм ионного Нe-Ag+ лазера является самой коротковолновой лазерной линией, на которой генерация наблюдается в непрерывном режиме.

4.3.5.1. Ионные лазеры видимого диапазона с РПК на парах металлов. В импульсном лазере на смеси гелия с парами ртути генерация происходит на двух компонентах ТС перехода иона Hg+: (1s2…5d10)7p 2P3/2,1/2→( )7s 2S1/2 (красная λ615нм и ИК λ794,5нм линии), накачиваемых перезарядкой ионов гелия на атомах ртути:

He0+(1s 2S1/2) +Hg0(6s2 1S0) ® Hg+*(7p 2P3/2,1/2) +He0(1s2 1S0) +{ΔE(~kT)}. (4.5)

В импульсном лазере на смеси неона с парами таллия генерация происходит на жёлтой линии λ595,0нм (переход (1s2…5d10)6s7p 3P2→( )6s7s 3S1 Tl+), накачиваемой перезарядкой ионов неона на атомах таллия:

Ne0+(2S1/2) +Tl0(6s26p 2P1/2) ® Tl+*(6s7p 3P2) +Ne0(1S0) +{ΔE≈0,33эВ}. (4.6)

Введение паров металлов в ОС этих лазеров осуществляется термоиспарением.

В РПК можно использовать и смесь из нескольких активных сред. Так, в импульсном лазере на смеси гелия с криптоном и парами ртути генерация происходит одновременно на трёх далеко разнесённых по частоте линиях: синей линии иона криптона (λ469,4нм), а также красной λ615нм и ближней ИК λ794,5нм линиях иона ртути.

4.3.5.2. Одновременная накачка атомов кадмия Пеннинг-процессом и перезарядкой в РПК. Трёхцветный лазер на парах кадмия. Уникальностью ионного спектра кадмия является наличие у него лазерных переходов с энергией возбуждения меньшей энергии метастабильных состояний гелия Неm, а также переходов, верхний уровень которых находится в энергетическом резонансе с основным ионным состоянием He0+–1s 2S1/2 (рис. 4.9). Поскольку в разряде происходит одновременное возбуждение как Hem–1s2s 21,3S, так и He0+, то в смеси He-пары Cd одновременно реализуются как Пеннинг-процесс (рис. 4. 9,в), так и перезарядка:

He0+ +Cd0 ® He0+Cd+*(6g 2G, 4f 2F)+DE (~kT). (4.7)

Реакцией (4.7) накачиваются в РПК уровни Cd+*–6g 2G, а в результате их релаксации–и уровни Cd+*–4f 2F, которые являются верхними соответственно для красных и зелёных лазерных линий с l635,5нм и l636нм, l533,7 и l537,8нм (см., рис. 4.9,а). Таким образом, использование РПК для накачки кадмия приводит к одновременному излучению на синей линии λ441,6нм (Пеннинг-процесс), а также–на зелёном (λ0,53мкм) и красном (λ0,63мкм) дублетах (перезарядка). Такое трёхцветное излучение используется, например, при анализе цветной графики.

На зелёных и красных линиях, имеющих высокую Δνодн контура усиления, в лазере реализуется одночастотный режим излучения (см., раздел 2), что увеличивает длину когерентности лазера до величины порядка метра и говорит о перспективности его применения, в частности, в голографии. Отметим, что зелёные линии излучения He-Cd+ лазера с РПК (λ533,7нм и λ537,8нм) могут стабилизироваться по частоте с использованием в качестве репера линий поглощения паров йода [12].

4.3.5.3. Ультрафиолетовые ионные лазеры с получением паров металлов катодным распылением. Явление катодного распыления состоит в том, что в аномальном тлеющем разряде при бомбардировке поверхности катода ускоренными в катодной области ионами газа, с поверхности катода, кроме эмиссии электронов, возникает и интенсивная эмиссия атомов материала самого катода [10]. Это используется для создания в ОС лазеров с РПК необходимой концентрации трудноиспаряемых металлов, таких как Cu, Ag, Au, Al и др. В этом случае катод лазера изготовляется из нужного металла целиком или покрывается слоем этого металла. В таблице 4.1 перечислены лазерные переходы этих металлов, принадлежащие в т. ч. и УФ-части спектра (0,22...0,36мкм), и механизм их накачки.

Таблица 4.1. Лазеры с катодным распылением и возбуждением ионных переходов металлов перезарядкой в плазме РПК

Лазер	Реакция в плазме ОС, обеспечивающая накачку лазерного перехода	Длины волн наиболее важных лазерных линий
He-Cu+	He0++Cu0 ® He0+Cu+*(6s)+DE	780,8нм (ИК)
Ne-Cu+	Ne0++Cu0 ® Ne0+Cu+*(5s)+DE	248,6, 259,9 и 260нм (УФ)
He-Ag+	He0++Ag0 ® He0+Ag+*(5d)+DE	224,3нм и 227,8нм (УФ)
Ne-Ag+	Ne0++Ag0 ® Ne0+Ag+*(4d85s2)+DE	318нм (УФ)
He-Au+	He0++Au0 ® He0+Au+*(6s)+ DE	282...292нм (УФ)
Ne-Al+	Ne0++Al0 ® Ne0+Al+*(4f)+ DE	358,7нм (УФ)

Лазеры с УФ-излучением привлекательны для использования в фотолитографии, для накачки лазеров на красителях, димерах и кристаллах, при контроле качества оптических материалов по их флюоресценции и др.

4.3.6. Накачка ион-электронной рекомбинацией. Импульсный ионный лазер на парах стронция. При рекомбинации положительных ионов с электронами [10], в результате которой однократные ионы нейтрализуются, двукратные ионы становятся однократными и т. д., и происходит заселение возбуждённых состояний (и лазерных переходов) нейтрализовавшейся частицы. Наилучшие условия для рекомбинации создаются в импульсном газовом разряде непосредственно после прекращения импульса тока в интервал времени, когда возникает рекомбинационная неравновесность или так называемое “послесвечение” плазмы. В этот интервал времени ионы и электроны, накопившиеся в плазме за время протекания тока, рекомбинируют с «остывающими» электронами. Процесс протекает интенсивно именно в послесвечении, поскольку электроны теряют энергию в упругих столкновениях с тяжёлыми частицами, их температура Te резко снижается, а скорость рекомбинации, как известно, резко зависит от Te, как Te–9/2.

Диаграмма энергетических уровней одного из наиболее мощных лазеров такого типа, работающих на электронных переходах в атомарном ионе стронция Sr+*, показана на рис. 4.13,а. Верхний лазерный уровень «2» относится к электронной конфигурации Sr+* (1s2…4p6)6s, а нижние уровни «1»– к конфигурации Sr+* (1s2…4p6)5p и представляют собой две компоненты ТС. Переходы «2»→«1» имеют длины волн λ416,2нм и λ430,5нм (ближняя УФ и фиолетовая части спектра). Уровень «2» распадается по каналу «2»→«1»,

	Процессы в плазме ПС, приводящие к накачке лазерных переходов
б)–двукратная ударная ионизация атома Sr0 при неупругом столкновении 1-го рода Sr0 с электроном плазмы ПС
в)–трёхчастичная ударно-излу-чательная рекомбинация двукратно-ионизированных атомов стронция Sr++ в “остывающей” плазме
Рис. 4. 13. Диаграмма энергетических уровней однократно - и двукратно-ионизированного Sr и механизм накачки в лазере на парах стронция

а уровни «1»– посредством переходов с λ1032,7нм и λ1091,4нм в состояния Sr+* (1s2…4p6)4d. Так как Aik~ν3 (1.11), то τ2/τ1<1, а поскольку F2~F1 (а не F2>>F1, как того требует условие (4.1)), то инверсию населённостей можно получить только путём снижении τ1 во время действия накачки уровня «2». Такой метод и реализуется в послесвечении импульсного газового разряда: снижение τ1 происходит за счёт “сверхупругих” столкновений ионов Sr+* в состоянии «1» с остывающими электронами:

Sr+*( «1» 5p)+e (медленный) → Sr+*(4d) + е (с энергией DE'). (4.8)

В реакции (4.8) электрон приобретает и уносит энергию: ΔE'=E(Sr+*5p)–E(Sr+*4d). Одновременно происходит интенсивная накачка верхнего уровня лазерного перехода «2»( )6s трёхчастичной ударно-излучательной рекомбинацией двукратно-заряженного иона Sr++ и двух медленных электронов (рис. 4.13,б,в):