можных схем энергетических переходов в различных газах. Достоинство газа как рабочего тела лазеров - высокая оп тическая однородность. Самым существенным недостатком газообразных активных сред можно считать значительно меньшую, чем у твердых тел, плотность и, следовательно, меньшие удельные энергетические характеристики. Смеси нейтральных атомов являются наиболее распространенной газовой лазерной средой. Инверсную населенность в них получают, как правило, между двумя достаточно высоко расположенными электронными уровнями. Наиболее известной активной средой из нейтральных атомов является смесь неона с гелием, на основе которой был создан в 1961 г. А. Джава-ном в США первый газовый лазер. He-Ne-лазеры до сих пор остаются самыми распространенными.

Излучающими частицами в таком лазере являются атомы Ne, которые имеют большое число метастабильных энергетических уровней. Однако именно это оказывается одной из причин, по которой в Ne трудно обеспечить возбуждение какого-либо одного избранного энергетического состояния, чтобы возникла инверсная населенность относительно нижних уровней при помощи подводимой извне энергии накачки. Удачным решением этой проблемы, достаточно широко применяемым в лазерах, стало использование донорного газа, который эффективно возбуждается с помощью внешних источников энергии и в то же время сам не может избавиться от запасенной энергии, а передает ее атомам Ne. В рассматриваемом случае такую роль исполняет Не. Смесь Не с Ne является прекрасной активной средой. На рис. 18 представлена схема энергетических уровней атомов обоих газов.

Энергии двух возбужденных метастабильных уровней его и е, атомов Не точно совпадают с энергиями уровней esa и • атомов Ne. Поэтому при столкновениях возбужденных атомов Не с невозбужденными Ne возможна резонансная передача возбуждения, в результате которой атомы Ne окажутся в возбужденных состояниях esa или Ег,5, а атомы Не в основном. Если правильно подобрать давления Ne и Не в смеси, то можно добиться заселенности одного или обоих уровней esa и атомов Ne, значительно превышающей населенность этих уровней в чистом Ne, и получить инверсию населенностей между уровнями гь, н ез.

Таким образом, в системе Не-Ne остается лишь обеспечить эффективный способ возбуждения (накачки) атомов Не и расселения нижних лазерных уровней ез и ег атомов Ne.

Наиболее распространенным способом возбуждения активных частиц в газовых лазерах является использование электрического разряда в газе. Это объясняется высокой эффективностью взаимодействия потока электронов при столкновении с атомами и молекулами и возможностью легко управлять этими процессами. В частности, таким образом осуществляется накачка в лазерах на нейтральных атомах. Поддержанию инверсной населенности в смеси Не-Ne может су-1цественно мешать наличие метастабильного уровня ег у атомов Ne с большим временем жизни частиц. Расселение уровня 62 происходит при столкновениях атома Ne со стенками

Не Ne

Рис. 18. Схема энергетических уровней в He-Ne-лазере

разрядной камеры. Вместе с условием эффективной накачки газовым разрядом это, определяет требования к разрядной камере, которая для He-Ne-лазеров выполняется в виде стеклянной трубки с диаметром менее 5 мм, длиной от 100 мм до 1 м и более. В трубке содержится газовая смесь Не-Ne в отношении парциальных давлений Рне/рме~3-7 и полном давлении ргО,! .. 3,0 кПа.

Как видно из схемы энергетических уровней, He-Ne-лазер может генерировать лазерное излучение нескольких длил волн. Выбор какой-либо из них зависит от условий для генерации. Первый лазер, созданный под руководством А. Джа-вана, испускал инфракрасное излучение с Я,= 1,153 мкМ. Наи-

более сильный эффект можно получить для длины волны Х = 3,3913 мкм. Видимый свет с длиной волны Я= 0,6328 мкм генерируется с меньшей эффективностью, но именно эта возможность определяет широчайшее распространение He-Ne-ла-зеров, которые, несмотря на малую вы.ходную мощность (10-100 мВт), безусловно, представляют наиболее многочисленную группу лазеров.

Среди возможных активных сред из двухкомпонентных смесей нейтральных атомов следует упомянуть и гелий-ксе-поиовые смеси, на которых работают соответствующие лазеры. В них Не так же является донором, который резонансно ередает энергию излучающему атому.

Однако генерация получена и в чистых инертных газах (Хе, Кг, Аг, Ne) без примесей. Специальным подбором давления газа, размера трубки и режима газового разряда удается создать инверсию населенностей и без резонансной передачи возбуждения от донорных частиц. В табл. 2.4 приведены длины волн некоторых лазеров на нейтральных атомах.

Т а б л и ц г 2.4

2.3.2. Смеси ионов

. С точки зрения практического использования большой интерес в качестве рабочих сред лазеров представляют ионизированные газы. В настоящее время получена генерация между уровнями ионов более 30 химических элементов. В таких . активных средах лазерные переходы происходят между уровнями ионизированных атомов, причем степень ионизации может быть очень большой, например, ультрафиолетовый им-пульсныйлазер на длине волны 0,2358 мкм работает на трехкратно ионизированных атомах Ne (см. табл. 2.5). Инверсия населенностей уровней в ионных лазерах осуществляется ме-

жду двумя возбужденными уровнями Ез.и 84 ионов (рис. 19). Нижний лазерный уровень ез обладает очень коротким временем жизни относительно основного состояния иона, что приводит к его быстрому опустошению. С другой стороны, уровень 84 с большим временем жизни сильно заселяется ионами при соударениях их с быстрыми электронами в раз-

Лазерное излучение

~ Спонтанное излучение Основное состояние иона

Основное состояние атпт

Рис. 19. Схема энергетических уровней ионизированных активных сред

ряде не только за счет переходов ионов из основного состояния, но и за счет последовательных переходов ионов из группы уровней 65 на уровень 64. Оба эти фактора обеспечивают (.оздание инверсии населенностей в ионизированной активной среде.

Прежде чем возбуждать ионные уровни, необходимо ионизировать нейтральные атомы, что достигается пропусканием через смесь очень больших токов. Квантовый КПД ионных лазеров невелик и для аргонового лазера составляет около 7%. Диаметры разрядных трубок ионных лазеров от 2 до 5 мм при давлениях смеси не более 500 Па. Спектральные характеристики наиболее распространенных ионных лазеров приведены в табл. 2.5. Таблица 2.5

Наибольшее распространение среди ионных лазеров получил аргоновый, использующий переходы между электронными состояниями иона Аг+.

2.3.3. Пары металлов

Активные среды лазеров на парах металлов состоят как из нейтральных атомов, так -и из ионизированных смесей. Одной из наиболее важных особенностей, позволяющей выделить такие смеси в отдельную группу, следует считать то, что при обычных условиях все металлы не являются газами и для обеспечения необходимой для работы лазера концентрации атомов в активной среде нужно предпринимать сиеци-1льные меры, которые, как правило, заключаются в ее нагреве. Например, температура активной среды может составлять ПООК. для смесей на основе бария и около 1900К для смесей с парами меди. Это вынуждает использовать СОРТ. Повышение температуры создает не только технические, но и более принципиальные трудности, поскольку при высокой температуре могут заметно заселяться нижние рабочие уров-

Рис, 20. Энергетические уровни меди

НИ. Особенно это опасно для сред, в которых нижний рабочий уровень лежит невысоко над основным состоянием, что характерно для наиболее эффективных с точки зрения энер-.етикн активных частиц.

Наиболее интересны две группы активных сред с парами металлов - среды, в которых происходят переходы с резонансных на метастабильные уровни (самоограниченные переходы), и среды с взаимодействием нейтральных атомов и атомарных ионов.

Среди лазеров на самоограниченных переходах наилучшие результаты получены на смесях паров меди в гелии. Возбужденному состоянию меди (рис. 20) соответствуют два

близко лежащих резонансных уровня ез, которые эффективно возбуждаются электронами в разряде. Излучательные лазерные переходы осуществляются на нижние метастабильные \ровни Е2, при этом ДЛИНЫ ВОЛН Xi = 0.578 мкм и .2 = 0,511 мкм соответствуют желтому и зеленому областям видимой части спектра. Самоограничеиными эти переходы называют из-за того, что их длительность ограничена свойствами самого перехода. Естественно, что генерация лазера на таких активных средах может быть только импульсной. Характерные частоты повторения импульсов могут достигать 20 кГц при длительности импульса до 10"* с. Кроме меди генерация получена на парах бария, свинца, золота и др.

Принцип работы гелий-кадмиевого лазера имеет много общего с работой гелий-неонового лазера. Донором в гелий-кадмиевой активной среде является не нейтральный атом Не. .4 ион Нс+, который передает возбуждение излучаюпхему атому Cri в процессе перезарядки Cd4-He+->Cd+*-ЬНе. Возбуждение атому Cd может передаваться также от находящегося в метастабильном состоянии атома Не*, в результате образуется возбужденный ион Cd+* (реакция Пеннинга): Cd-b --He*-vCd+*-f Не-ье. Наибольший интерес представляет последний процесс, поскольку он лежит в основе получения непрерывной генерации с длиной волны 7,=0,4416 мкм в фиолетовой области. На основе смесей Не-Cd, Не-Se, Не-Zn озданы лазеры видимого и ультрафиолетового диапазона, близкие по техническим характеристикам к He-Ne-лазеру.

2.3.4. Молекулярные смеси

В отличие от рассмотренных выше активных сред с вынужденными переходами атомов (или ионов) между электронными энергетическими уровнями, в молекулярных системах используются переходы между характерными для молекул колебательно-вращательными уровнями. Это определяется качественно более сложной структурой молекулы по сравнению с атомом. Связующим элементом молекулы служит электронное облако, образуемое внешними «валентными> электронами атомов. При этом не только заряд, но и масса гакой системы имеют определенное пространственное распределение. Молекула может вращаться вокруг центра масс II колебаться различными способами. Обеим формам движения присущи дополнительные уровни энергии. Переходам