ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Вообще говоря, уширение энергетических уровней в га­зах оказывается значительно меньше (порядка нескольких гигагерц и меньше), по сравнению с твердотельными среда­ми, вследствие того, что механизмы уширения, действую­щие в газах, значительно слабее, чем в твердых телах. Дей­ствительно, при достаточно низких давлениях газа (несколь­ко десятков мм рт. ст.), характерных для обычных газовых

Лазеров, уширение за счет столкновений очень мало, и ширина линии здесь определяется, главным образом, доплеровским уширением. В связи с этим в активной среде газовых лазеров отсутствуют широкие полосы поглощения, и, как следствие, здесь не применяется оптическая накачка лампами с не­прерывным или импульсным излучением. Действительно, такая оптическая накачка была бы крайне неэффективна в силу того, что спектр излучения этих ламп является более или менее непрерывным. Газовые лазеры накачи­ваются, как правило, электрически, т. е. возбуждение среды достигается при пропускании достаточно большого (постоянного, высокочастотного или им­пульсного) электрического тока через газовую среду. Основные механизмы накачки в газовых лазерах уже обсуждались в разделе 6.4. Кроме того, здесь также следует заметить, что накачку некоторых газовых лазеров можно осу­ществить иным путем, отличным от электрического возбуждения. В частно­сти, будет рассмотрена накачка посредством газодинамического расшире­ния, химическая накачка и оптическая накачка от другого лазера (особенно это касается лазеров, работающих в дальнем ИК-диапазоне).

Как известно, из возбужденного состояния частица может перейти на более низкие энергетические уровни (в том числе и на основной), благодаря следующим четырем основным процессам:

■ столкновениям возбужденной частицы с электроном, при которых час­тица передает свою кинетическую энергию электрону (сверхупругие столкновения);

■ околорезонансным столкновениям возбужденных частиц с такими же или другими частицами, находящимися в невозбужденном состоянии;

■ столкновениям частицы со стенками сосуда;

■ спонтанному излучению.

В случае последнего процесса следует всегда учитывать вероятность за­хвата излучения (особенно для очень интенсивных переходов в УФ - и ВУФ - диапазонах). Этот процесс приводит к уменьшению эффективной скорости спонтанного излучения (см. раздел 2.9.1).

При данном значении тока электрического разряда все эти процессы воз­буждения и релаксации приводят, в конечном счете, к установлению некото­рого равновесного распределения населенностей по энергетическим уровням. Таким образом, в газовых лазерах, вследствие большого числа протекающих в газах процессов, механизм создания инверсии населенностей оказывается более сложным, по сравнению с твердотельными лазерами. Вообще говоря, в газовых средах инверсия населенностей между двумя заданными уровнями возникает при выполнении одного (или сразу двух) из следующих условий:

■ скорость возбуждения верхнего лазерного уровня (уровень 2) больше, чем нижнего (уровень 1);

■ скорость релаксации уровня 2 меньше, чем уровня 1.

В этой связи следует вспомнить, что для осуществления непрерывной генерации необходимо, чтобы скорость перехода 2 -> 1 была меньше, чем скорость релаксации уровня 1 (см. выражение (7.3.1)). Если это условие не выполняется, то генерацию можно получить лишь в импульсном режиме и при выполнении первого условия (лазеры на самоограниченных переходах).