ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕДИ

На рис. 10.4 представлена упрощенная схема энергетических уровней лазера на парах меди [4], где вновь для обозначения уровней используется приближение Рассела-Сандерса. Основное состояние 2&1/2 атома меди соот­ветствует электронной конфигурации 3^104в1, при этом, когда внешний 48-электрон забрасывается на следующий, более высокий 4р-уровень, возни­кают возбужденные уровни 2Р1/2 и 2Р3/2. Уровни 21>з/2 и 21>5/2 соответствуют электронной конфигурации Зс£9482, которая возникает, когда один З^-элек - трон перебрасывается на 48-орбиталь.

Относительные значения соответствующих се­чений переходов таковы, что скорость возбужде­ния в Р-состоянии (за счет электронного удара) оказывается больше, чем скорость возбуждения в /^-состоянии. Таким образом, Р-состояния явля­ются более предпочтительными при возбуждении электронным ударом. С другой стороны, переход 2Р -> 2в1/2 является разрешенным (напомним, что правила отбора для оптически разрешенных пе­реходов требуют, чтобы Ае/ = 0 или ±1), и соот­ветствующее сечение поглощения оказывается достаточно большим. При температурах, кото­рые используются в медном лазере (Т = 1500°С), давление паров оказывается достаточно высо - рис. юл

Ким (~0,1 мм рт. ст.), так что релаксация по кана-

0 9 атомов меди, участвующие

Лу 2Р -» £>1/2 не происходит вследствие захвата в лазерной генерации

Излучения. Таким образом, единственный эффективный канал релаксации (из состояния 2Р) проходит через состояние 2В. Соответствующее время ре­лаксации достаточно велико (~0,5 мкс), поскольку переход является слабо - разрешенным. Отсюда следует, что на 2Р-состояниях можно достичь высо­кой населенности и, таким образом, эти уровни хорошо подходят на роль верхних лазерных уровней. Поэтому генерация на парах Си может осуществ­ляться как на переходе 2Р3/2 -> 2Въ/2 (зеленый), так и на переходе 2Р1/2 -> 2^з/2 (желтый). Следует отметить, что переход 2В —> 2£ является запрещенным (в электродипольном приближении), и время жизни уровня 2В оказывается очень большим (несколько десятков микросекунд). Отсюда следует, что этот лазерный переход является самоограниченным, и лазер здесь может работать только в импульсном режиме с длительностью импульса порядка или меньше времени жизни 2Р-состояния. Также следует отметить, что релаксация 2£> —> 25 обычно происходит за счет сверхупругих столкновений с холодными элек­тронами, остающимися после импульса накачки, и что соответствующая ско­рость такой релаксации устанавливает верхний предел на частоту повторе­ния лазерных импульсов. Некоторые важнейшие спектроскопические свой-? ства зеленого перехода в лазере на парах меди представлены в табл. 10.1.

Конструкция лазера на парах металлов основана на общей схеме, приве* денной на рис. 10.5, причем пары металла заключены в трубку из окиси алюминия, которая теплоизолируется путем помещения ее в откачанный объ­ем. Необходимая высокая температура в трубке обычно поддерживается мощ­ностью, рассеиваемой в трубке при прохождении повторяющихся импульсоВ тока. Анод и катод имеют форму кольцеобразных электродов и помещаются на концах трубки из окиси алюминия. В газовую смесь добавляется буферный' газ (неон под давлением 25-50 мм рт. ст.) для обеспечения достаточной плот?* ности электронов, образующихся после прохождения разрядного импульсаШ обеспечения объемной дезактивации нижнего лазерного 21)-состояния пор средством сверхупругих столкновений. Добавление неона также способствуй ет уменьшению длины диффузии паров Си и, таким образом, предохраняем

(холодные) выходные окна от осаждения меди. Относительно недавно были представлены так называемые «гибридные» лазеры (Си-НуВгГО лазеры), в которых используются молекулы НВг. Поскольку в области разряда образу­ются молекулы СиВг, которые обладают намного большей летучестью, чем атомы меди, то в этом случае для обеспечения газового разряда требуется более низкая температура.

Серийно выпускаемые лазеры на парах меди обладают средней выходной мощностью более 100 Вт с достаточно короткой длительностью импульсов (30-50 не) и высокой частотой повторения (до -10 кГц). При этом КПД лазе­ра составляет -1%. Такой относительно высокий КПД связан как с большой квантовой эффективностью медного лазера (-55%, см. рис. 10.4), так и с большим сечением перехода —> 2Р при электронном ударе. Более высокие значения выходной мощности (-200 Вт) и КПД (-3%) были получены недав­но при использовании гибридных медных лазеров.

Лазеры на парах меди используются в некоторых промышленных при­менениях (в таких, как высокоскоростная фотография, подгонка интеграль­ных резисторов и, с недавних пор, в микрообработке), а также для накачки лазеров на красителях. В частности, в высокоскоростной фотографии для стробоскопического освещения различных быстродвижущихся объектов (например, пули в полете) требуется короткий импульс (десятки наносе­кунд) с высокой частотой повторения (10-20 кГц). Крупная установка, с использованием лазеров на красителе, которые накачиваются медными лазерами (средняя мощность каждого из которых достигает 100 Вт), в на­стоящее время используется в США на опытном заводе по разделению изо­топов 235С7.