Особенности газов как лазерных материалов. По сравнению с твёрдыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе практически не искажается, не рассеивается и не испытывает потерь энергии. В таких лазерах сравнительно просто возбудить только один тип электромагнитных волн (одну моду). В результате направленность лазерного излучения резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией света . Расходимость светового луча Г. л. в области видимого света составляет 10-5 — 10-4рад, а в инфракрасной области 10-4 — 10-3рад.
В отличие от твёрдых тел и жидкостей, составляющие газ частицы (атомы, молекулы или ионы) взаимодействуют друг с другом только при соударениях в процессе теплового движения. Это взаимодействие слабо влияет на расположение уровней энергии частиц. Поэтому энергетический спектр газа соответствует уровням энергии отдельных частиц. Спектральные линии, соответствующие переходам частиц с одного уровня энергии на другой, в газе уширены незначительно. Узость спектральных линий в газе приводит к тому, что в линию попадает мало мод резонатора.
Так как газ практически не влияет на распространение излучения в резонаторе, стабильность частоты излучения Г. л. зависит главным образом от неподвижности зеркал и всей конструкции резонатора. Это приводит к чрезвычайно высокой стабильности частоты излучения Г. л. Частота w излучения Г. л. воспроизводится с точностью до 10-11 , а относительная стабильность частоты
Малая плотность газов препятствует получению высокой концентрации возбуждённых частиц. Поэтому плотность генерируемой энергии у Г. л. существенно ниже, чем у твердотельных лазеров.
Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах. Активной средой Г. л. является совокупность возбуждённых частиц газа (атомов, молекул, ионов), обладающих инверсией населённостей . Это означает, что число частиц, «населяющих» более высокие уровни энергии, больше, чем число частиц, находящихся на более низких энергетических уровнях. В обычных условиях теплового равновесия имеет место обратная картина — населённость низших уровней больше, чем более высоких (см. Больцмана статистика ). В случае инверсии населённостей акты вынужденного испускания фотонов с энергией hn = Ев - Ен , сопровождающие вынужденный переход частиц с верхнего уровня Ев на нижний Ен, преобладают над актами поглощения этих фотонов. В результате этого активный газ может генерировать электромагнитное излучение частоты
или с длиной волны
Одна из особенностей газа (или смеси газов) — многообразие физических процессов, приводящих к его возбуждению и созданию в нём инверсии населённостей. Возбуждение активной среды излучением газоразрядных ламп, нашедшее широкое применение в твердотельных и жидкостных лазерах, мало эффективно для получения инверсии населённостей в Г. л., т. к. газы обладают узкими линиями поглощения, а лампы излучают свет в широком интервале длин волн. В результате может быть использована только ничтожная часть мощности источника накачки (кпд мал). В подавляющем большинстве Г. л. инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразрядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях с частицами газа (электронный удар) возбуждают их, переводя на более высокие уровни энергии. Если время жизни частиц на верхнем уровне энергии больше, чем на нижнем, то в газе создаётся устойчивая инверсия населённостей. Возбуждение атомов и молекул электронным ударом является наиболее разработанным методом получения инверсии населённостей в газах. Метод электронного удара применим для возбуждения Г. л. как в непрерывном, так и в импульсном режимах.
Возбуждение электронным ударом удачно сочетается с др. механизмом возбуждения — передачей энергии, необходимой для возбуждения частиц одного сорта от частиц др. сорта при неупругих соударениях (резонансная передача возбуждения). Такая передача весьма эффективна при совпадении уровней энергии у частиц разного сорта (рис. 1 ).
В этих случаях создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний лазерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни. Именно по такой схеме осуществляется инверсия населённостей в гелий-неоновом лазере.
Гелий-неоновый лазер (А. Джаван, США, 1960). В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона Ne. Атомы гелия Не служат для передачи энергии возбуждения. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня e1 на возбуждённый верхний уровень энергии E3 . Но в чистом Ne время жизни на уровне E3 мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни E1 и E2 , что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населённостей для пары уровней E2 и E3 . Примесь Не существенно меняет ситуацию. Первый возбуждённый уровень Не совпадает с верхним уровнем E3 неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов Не с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией E1 ) происходит передача возбуждения, в результате которой атомы Ne будут возбуждены, а атомы Не вернутся в основное состояние. При достаточно большом количестве атомов Не можно добиться преимущественного заселения уровня неона. Этому же способствует опустошение уровня E2 неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки. Для эффективного опустошения уровня E2 диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает количество Ne и, следовательно, мощность генерации, Оптимальным, с точки зрения максимальной мощности генерации, является диаметр около 7 мм. Т. о., в результате специального подбора количеств (парциальных давлений ) Ne и Не и при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населённостей уровней энергии E2 и E3 неона.
неона E2 и E3. Уровни обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и инфракрасного излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия. Это позволяет создать необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте.
Основной конструктивный элемент гелий-неонового лазера — газоразрядная трубка (обычно из кварца). Давление газа в разряде 1 мм рт. ст., причём количество Не обычно в 10 раз больше, чем Ne. На рис. 2 приведена конструкция гелий-неонового лазера, разработанная для применения в открытом космосе. Разрядная трубка с внутренним диаметром 1,5 мм из корундовой керамики помещена между полупрозрачным зеркалом и отражающей призмой, смонтированными на жёсткой бериллиевой трубе (цилиндре). Разряд осуществляется на постоянном токе (8 ма, 1000 в) в двух секциях (каждая длиной 127 мм ) с общим центральным катодом. Холодный оксиднотанталовый катод (диаметром 48 мм и длиной 51 мм ) разделён на 2 половины диэлектрической прокладкой, обеспечивающей более однородное распределение тока по поверхности катода. Вакуумные сильфоны из нержавеющей стали, являющиеся анодами, образуют подвижное соединение каждой трубки с держателями зеркала и призмы. Кожух завершен с левого конца выходным окном. Лазер рассчитан на работу в космосе в течение 10 000 ч.
