ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

НАКАЧКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ

Вспомним, что в газовых и полупроводниковых лазерах используется электрическая накачка. Ограничимся здесь рассмотрением газовых лазеров, отложив обсуждение более простого случая накачки полупроводниковых лазеров до главы 9.

Газовый лазер накачивается электрическим разрядом при пропускании через газовую смесь тока — постоянного, радиочастотного (СВЧ) или им­пульсного. Обычно ток протекает через газовую среду либо вдоль оси лазе­ра (продольный разряд, рис. 6.18а), либо перпендикулярно ей (попереч­ный разряд, рис. 6.186). Поскольку поперечные размеры активной среды обычно гораздо меньше ее продольных размеров, то для одной и той же газовой смеси требуемое напряжение при поперечной конфигурации на­качки существенно меньше, чем при продольной. С другой стороны, про­дольный разряд, ограниченный диэлектрической (например, стеклянной) трубкой, как на рис. 6.18а, зачастую является более пространственно одно­родным и устойчивым источником накачки. Последующее обсуждение по­святим в основном так называемому тлеющему разряду, который благодаря однородной плотности тока испускает равномерное голубоватое свечение. Следует избегать ситуации, когда возникает дуговой разряд, в котором ток протекает в одном или нескольких каналах-стримерах, излучающих интен­сивный белый свет (как в молнии).

Для стабилизации тока разряда в требуемой рабочей точке необходимо использовать последовательное сопротивление #в, часто называемое балла­стным сопротивлением (рис. 6.18а, б). Для того чтобы пояснить эту особен­ность, на рис. 6.19 показана вольтамперная характеристика разряда — за­висимость напряжения от тока (сплошная линия). Отметим, что в рабочей области падение напряжения на разрядном промежутке остается практиче­ски постоянным при возрастании тока разряда. Для поджигания разряда в газе необходимо приложить пиковое напряжение Ур, примерно на порядок более высокое, чем постоянное рабочее напряжение. Таким образом, вольт - амперные характеристики разрядной трубки и обычного сопротивления сильно различаются! На этом же рис. 6.19 пунктирной линией показана вольтамперная характеристика источника напряжения У0, включенного

У0/пв I

Рис. 6.19

Вольтамперная характеристика (напряжение V в зависимости от тока I) газового разряда (сплошная линия) и источника напряжения, включенного последовательно с балластным сопротивлением (пунктирная линия)

Последовательно с балластным сопротивлением Ив. Отметим, что устойчи­вое значение тока соответствует любой из точек пересечения, А или С, двух характеристик (точка пересечения В отвечает положению неустойчивого рав­новесия). Таким образом, если при отсутствии разряда начать увеличивать напряжение от источника питания, то разряд стабилизируется в точке С, с очень слабым разрядным током. Для того чтобы переместиться в другую ус­тойчивую точку (А, расчетную рабочую точку), можно на короткий период увеличить приложенное напряжение, так чтобы преодолеть величину барье­ра Ур. Это обычно достигается подачей на положительный электрод импуль­са добавочного напряжения с длительностью, обеспечивающей достаточный уровень ионизации газа (см. также рис. 6.46 и 6.5). В качестве альтернати­вы, высоковольтный импульс может быть приложен к какому-либо вспомо­гательному электроду (см. также рис. 6.4а).

Конструкции электродов, используемые для продольных и поперечных разрядов, различаются. Электроды для продольных разрядов часто имеют кольцевую структуру, в которой поверхность катода обычно много больше поверхности анода, что сделано для того, чтобы уменьшить разрушение като­да в результате ударов тяжелых ионов. Электроды для поперечных разрядов расположены вдоль всей длины активной среды, а противолежащие поверх­ности двух электродов должны быть достаточно закруглены (см. рис. 6.186). Действительно, если у электродов имеются какие-то острые углы, то имею­щаяся вблизи высокая напряженность электрического поля может легко привести к развитию дуги, а не однородного разряда. Конструкции с про­дольным разрядом обычно используют только в непрерывных лазерах, в то время как поперечные разряды применяют в непрерывных, импульсных или высокочастотных лазерах. На рис. 6.20 показан чрезвычайно интересный пример поперечного СВЧ-разряда с электродами, расположенными вдоль
внешней поверхности разрядной трубки, обычно изготавливаемой из стек­ла. Наличие стеклянной трубки конечной толщины обеспечивает несколько преимуществ:

■ трубка играет роль включенного последовательно с разрядом конденса­тора, чей импеданс для СВЧ-напряжения является эффективной емкост­ной балластной нагрузкой, стабилизирующей разряд. При этом удается избежать потерь мощности накачки в активном балластном сопротивле­нии Лв на рис. 6.18;

■ значительно снижается вероятность образования дуги, т. к. стеклянная диэлектрическая среда расположена вдоль всей поверхности электродов;

■ поскольку газовая смесь непосредственно не контактирует с электрода­ми, то отсутствуют плазмохимические процессы, происходящие на по­верхностях электродов и приводящие к диссоциации смеси.

Когда подобная конфигурация используется, например, в С02 лазерах, удается на порядок снизить затраты времени на техническое обслуживание электродов и в два раза уменьшить потребление газа.

Рассмотрим теперь физические явления, которые приводят к возбужде­нию частиц газа. Вначале вспомним, что в электрическом разряде образуют­ся как ионы, так и свободные электроны. Поскольку эти заряженные части­цы получают в приложенном электрическом поле дополнительную кинети­ческую энергию, то в результате столкновения с нейтральной частицей они способны возбудить ее. Положительные ионы из-за своей значительно боль­шей массы ускоряются до гораздо меньших скоростей, чем электроны, и в связи с этим не играют заметной роли в процессах возбуждения. Таким обра­зом, электрическая накачка газовой среды обычно происходит в результате одного или обоих из следующих двух процессов:

■ в газе, состоящем из частиц одного вида, возбуждение осуществляется только электронным ударом, т. е. в процессе

Е + Х->Х* + е, (6.4.1)

Где через X и X* обозначена частица соответственно в основном и возбуж­денном состояниях. Такой процесс называют столкновением первого рода;

■ в газе, состоящем из частиц двух видов (назовем их А и В), возбуждение может происходить также при столкновении двух частиц разных видов посредством резонансной передачи энергии (см. раздел 2.6.1). Обратившись к рис. 6.21, предположим, что частица В находится в ос­новном состоянии, а частица А возбуждена электронным ударом. Предполо­жим также, что абсолютная величина разности энергий АЕ возбужденных состояний этих частиц меньше, чем &7 В этом случае существует значитель­ная вероятность того, что после их столкновения частица А окажется в ос­новном, а частица В — в возбужденном состоянии. Этот процесс можно пред­ставить в виде

А* + В А + В* - АЕ, (6.4.2)

Где разность энергий АЕ, в зависимости от своего знака, добавляется к кине­тической энергии сталкивающихся частиц или вычитается из нее; вот поче­му по абсолютной величине АЕ должна быть меньше, чем кТ. Указанный

Лазерная накачка при квазирезонансной передаче энергии
+	-АЕ

Процесс оказывается особенно эффективным способом возбуждения частиц В, если верхнее состояние частиц А является метастабильным (т. е. излучатель - ный переход из него запрещен). В этом случае после того, как частица А пе­реведена в возбужденное состояние, она будет оставаться в нем в течение длительного времени, являясь энергетическим резервуаром для возбужде­ния частиц В. Процесс такого типа, записанный в виде реакции (6.4.2), на­зывают столкновением второго рода.[28]

При последующем обзоре ограничимся рассмотрением процессов возбу­ждения за счет электронного удара, поскольку он является наиболее часто встречающимся и одновременно простейшим механизмом возбуждения.