ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

Не-Ке лазер, вне всякого сомнения, является наиболее значимым среди| всех лазеров на инертных газах [1, 2]. Генерация здесь осуществляется переходах атома неона, а гелий добавляется в газовую смесь для повыше ния эффективности накачки. Данный лазер излучает на многих длинах? волн, из которых наиболее известна линия с к = 633 нм (красная). Сред& других линий — зеленая на длине волны к = 543 нм и две линии в ИК-диапазо­не с к = 1,15 и 3,39 мкм. Гелий-не - оновый лазер, генерирующий на пе­реходе с длиной волны к = 1,15 мкм» был самым первым газовым лазе* ром, более того, на нем впервые была продемонстрирована непрерывная лазерная генерация [3]. г1

Нарис. 10.1 приведена упрощеШ ная схема энергетических уровней з атомов Не и Ке. Уровни Не обозна чены в соответствии с приближен! ем связи Рассела-Сандерса, где пе] вая цифра указывает на главна квантовое число данного уровне Таким образом, состояние 1х5 отве?*| чает случаю, когда оба электронш атома Не находятся в состоянии 1* с противоположно направленными спинами. Состояния 235 и 2^ отве­чают ситуации, когда один из двух электронов заброшен в состояние 2№ и его спин соответственно паралл* лен или антипараллелен спину дрч гого электрона. С другой сторо:
атомное число неона равно 10, и для обозначения энергетических уровней здесь используется ряд способов, таких как обозначения Пашена или Рака. Однако для простоты ограничимся лишь обозначением электронной конфи­гурации для каждого соответствующего уровня. Таким образом, основное со­стояние неона обозначается как 1822822р6, в то время как показанные на ри­сунке возбужденные состояния соответствуют ситуации, когда один 2р-элек - трон заброшен В возбужденное 8- (38-, 48- ИЛИ 5в ) ИЛИ возбужденноер - (3Р' или 4р ) состояние. Также следует отметить, что из-за взаимодействия с оставши­мися на 2р-орбиталях пятью электронами эти 8- и р-состояния расщепляются на 4 и 10 подуровней соответственно.

Из рис. 10.1 очевидно, что в атоме Не уровни 23в и 2*в являются близки­ми к резонансу с состояниями 4$ и 5в атома N6. Поскольку уровни 2Зв и 2*в являются метастабильными (переходы в -> в запрещены в электродиполь - ном приближении; и, более того, переход 23в -> 2хв запрещен еще и с точки зрения изменения мультиплетности, т. е. по спину), атомы Не в этих состоя­ниях оказываются весьма эффективным средством для возбуждения 4в - и 58- уровней атомов Ые (посредством резонансного переноса энергии). Было уста­новлено, что в Не-Ке лазере именно этот механизм возбуждения является доминирующим при получении инверсии населенностей, хотя накачка, по­мимо этого, может осуществляться и за счет столкновений электронов с ато­мами Ые. Поскольку 4в - и бв-уровни атома Ие могут быть населены достаточ­но сильно, они хорошо подходят на роль верхних уровней лазерных перехо­дов. Учитывая правила отбора, можно видеть, что возможными переходами здесь являются переходы в р-состояния. Более того, следует отметить, что время релаксации 8-состояний (т8 =100 не) на порядок превышает время ре­лаксации р-состояний (тр = 10 не), таким образом, выполняется условие не­прерывной генерации (7.3.1). Наконец, следует заметить, что вероятность возбуждения из основного состояния на уровни 3р и 4р (за счет электронного удара), вследствие меньших сечений взаимодействия, оказывается значи­тельно меньше, чем соответствующие вероятности возбуждения на уровни 4« и 58. Тем не менее, как будет видно ниже, прямое возбуждение на уровни 3р и 4р также оказывает значительное влияние на работу лазера.

Из сказанного выше следует, что генерацию в неоне можно ожидать меж­ду 58- или 48-уровнями (играющими роль верхних лазерных уровней) и 3р - или 4р-уровнями, которые можно рассматривать как нижние лазерные уров­ни. На рис. 10.1 приведены некоторые наиболее важные лазерные переходы, возникающие между этими состояниями. Для переходов с сильно отличаю­щимися длинами волн (£к > 0,2А,) каждый конкретный переход, на кото­ром будет осуществляться генерация, определяется той длиной волны, на которую «настроен» максимум коэффициента отражения многослойного диэлектрического зеркала (см. рис. 4.9). Лазерные переходы уширены пре­имущественно благодаря эффекту Доплера. Так, например, для красного Не-Ме-перехода (X = 633 нм в вакууме и X = 632,8 нм в воздухе) доплеровское уширение приводит к тому, что ширина этой линии составляет порядка ~1,5 ГГц (см. также пример 2.6). Для сравнения, из выражения (2.5.13) мож­но оценить величину собственного уширения: Аупа1 = 1/(2пх) = 19 МГц, где

Т-1 = т’1 + Тр1, а и тр — времена жизни 8- ир-состояний соответственно. Ушш рение, связанное со столкновительными процессами, оказывается еще мен&г ше собственного уширения (например, для чистого Ке имеем Дус = 0,6 М1^ при давлениир = 0,5 мм рт. ст.; см. пример 2.2). Некоторые спектроскопиче­ские свойства лазерного перехода, соответствующего длине волны 633 тэд приведены в табл. 10.1.

На рис. 10.2 показана основная конструкция Не-Ые лазера. Разряд щщ исходит между кольцеобразным анодом и большим катодом, имеющим фор^ МУ трубки. При этом положительные ионы сталкиваются с этим катодом. Ц§- большей части длины трубки разряд формируется в капилляре, и только »* этой области достигается высокая инверсия населенностей. Большой общ ем газа, окружающий капилляр, играет роль резервуара для пополнен* Не-Ые-смеси в капилляре. В случае, когда необходимо получить на выхо: лазера поляризованное излучение, внутрь трубки под углом Брюстера ус' навливается пластинка. Зеркала лазера непосредственно впаяны в концы тр^ ки. Чаще всего используется конфигурация резонатора, близкая к полу<
рическои, поскольку она легко юстируется, очень устойчива в плане несоос - ности и без труда обеспечивает генерацию на моде ТЕМ00. Единственный недостаток такой конфигурации состоит в том, что она не полностью исполь­зует объем плазменного разряда, поскольку размер пятна моды на плоском зеркале оказывается значительно меньше, чем на вогнутом. Однако если на рис. 10.2 плоское зеркало расположить слева, то область с меньшим разме­ром пятна для почти полусферической ТЕМ00 моды окажется за пределами капилляра, т. е. в области низкой инверсии.

Одна из наиболее характерных особенностей Не-Ке лазера состоит в том, что его выходная мощность не увеличивается монотонно с увеличением тока разряда, а достигает максимума и затем уменьшается. Поэтому серийно вы­пускаемые Не-Ке лазеры обеспечиваются источником питания, рассчитан­ным только на оптимальный ток. Наличие оптимального значения тока, т. е. плотности тока J, протекающего через капилляр, обусловлено (по крайней мере, для переходов 0,633 и 3,39 мкм) тем, что при высоких плотностях тока дезактивация метастабильных состояний (23в и 21£) атома Не происходит не только за счет столкновений со стенками, но и при сверхупругих столкнове­ниях, например:

Не(215) + е -> Не(11в) + е. (10.2.1)

Поскольку скорость этого процесса пропорциональна плотности элек­тронов Ые, а следовательно и J, полную скорость дезактивации можно за­писать в виде к2 + **7. В этом выражении к2 является константой, характе­ризующей дезактивацию вследствие столкновений со стенками, а к&1 (где &3 — тоже постоянное число) представляет собой скорость процессов, свя­занных со сверхупругими столкновениями (10.2.1). С другой стороны, ско­рость возбуждения можно записать как &1С/, где кх — снова константа. В ста­ционарных условиях можно записать = (к2 + к#1)И*, где — насе­

Ленность основного состояния атома Не, а ЛГ* — населенность возбужденного состояния 215. Равновесное значение населенности уровня 2Х£ задается вы­ражением:

К^

Къ+къГ (10.2.2)

Из которого видно, что при высокой плотности тока возникает насыщение населенности. По­скольку равновесная населенность бв-состояния атома N6 определяется близкорезонансным пе­реносом энергии из 2^-состояния, населенность верхнего лазерного уровня 5в будет также на­сыщаться с ростом плотности тока *1 (рис. 10.3). С другой стороны, экспериментально было обна­ружено, что при отсутствии генерации населен­ность нижнего лазерного уровня (3р или 4р) про­должает линейно расти с увеличением J (рис. 10.3) вследствие непосредственной накачки атомов Ые из основного состояния и каскадных излуча - тельных переходов с верхних лазерных уровней.

Таким образом, по мере увеличения плотности тока разряда, разность насе­ленностей, а с ней и выходная мощность, растет до некоторого оптимального значения, а затем уменьшается.

Помимо указанного оптимального значения плотности тока Не-Ые лазер обладает и другими оптимальными рабочими параметрами. В частности, к ним относятся:

■ оптимальное значение произведения полного давления газа р на величи­ну диаметра трубки В (р!) = 3,6 - 4 мм рт. ст. * мм). Существование опти­мального значения рБ указывает на наличие некоторой оптимальной электронной температуры (см. раздел 6.4.5);

■ оптимальное отношение парциального давления газа Не к давлению га* за Ые (~5:1 для длины волны X = 632,8 нм и —9:1 для X = 1,15 мкм);

■ оптимальное значение диаметра капилляра (Р = 2 мм). Это можно объяс­

Нить следующим образом: при постоянном значении р£>, т. е. при посто­янной электронной температуре, число всех процессов возбуждения (за счет электронного удара) просто сводится к числу атомов, которые могут быть возбуждены; а поскольку как верхний, так и нижний лазерные урот ни заселяются, в конечном счете, за счет электронного удара, их населен ности, а следовательно и усиление лазера, прямо пропорциональны дав­лению р, или величине I)-1, при постоянном произведении р£>. С другой стороны, дифракционные потери лазерного резонатора будут увелищр - ваться при уменьшении параметра I), и, таким образом, можно получите; оптимальное значение диаметра капилляра посредством оптимизации чистого усиления (усиление минус дифракционные потери). )

Согласно зависимости, изображенной на рис. 10.3, мощность Не-Ые лазе*|

Ров обычно невелика (при оптимизации параметров лазера выходная мощности на длине волны X = 633 нм оказывается в пределах 1-10 мВт при длине трубкш от 20 до 50 см, тогда как выходная мощность на зеленом переходе обычно на'; порядок меньше). КПД Не-Ые лазера на всех лазерных переходах оказывается очень низким (< 10_3). Главной причиной столь низкого КПД является мала# величина квантовой эффективности лазера. Действительно, из рис. 10.1 вид - ; но, что каждый элементарный процесс накачки требует затраты энергии около 20 эВ, в то время как энергия лазерного фотона не превышает 2 эВ. )

С другой стороны, наличие очень узкой линии усиления в таком лазере является очевидным преимуществом при получении генерации в одном# довом режиме. Действительно, если длина резонатора достаточно мал! (Ь < 15-20 см), генерацию на одной продольной моде можно с легкостью реа* лизовать путем тонкой подстройки длины резонатора (например, с помощью пьезокерамического устройства), добиваясь, таким образом, совпадения час­тоты моды с центром контура усиления (см. раздел 7.8.2.1). В одномодовом Не-Ке лазере можно обеспечить очень высокую степень стабилизации часто­ты [Ду/у = 10"11 - г-1012] по провалу Лэмба с помощью опорной частоты (на­пример, интерферометра Фабри—Перо с большой величиной резкости), и еще лучшую степень стабилизации можно обеспечить при использовании обра­щенного провала Лэмба с применением поглощающей ячейки, содержащей элемент 12912 (для перехода на длине волны 633 нм).

Генерирующие на красном переходе Не-Ые лазеры до сих пор находят широкое применение во многих областях, где требуется маломощное коге­рентное излучение видимого диапазона (например, для юстировки приборов или при считывании штрих-кодов). Большинство супермаркетов и других торговых точек используют красные Не-Ые лазеры для считывания инфор­мации, содержащейся в штрих-коде каждого продукта. Однако здесь основ­ную конкуренцию Не-Ке лазерам оказывают полупроводниковые лазеры, излучающие в красном диапазоне, которые оказываются более компактны­ми и намного более эффективными. Тем не менее, Не-Ые лазеры зеленого диапазона, благодаря тому что зеленый свет намного лучше воспринимается глазом, все в большей степени используются при юстировке приборов, а так­же в клеточной цитометрии. В последнем случае происходит следующее: от­деленные клетки (например, эритроциты), окрашенные подходящими флуо - рохромами, быстро протекают через капилляр, на который сфокусирован пучок Не-Ые лазера, после чего окрашенные клетки можно регистрировать по соответствующим сигналам рассеяния или флюоресценции. Кроме того, одночастотные Не-Ые лазеры часто используются в метрологических прило­жениях (например, в очень точных интерференционных устройствах изме­рения расстояний) и в голографии.