ЛЕКЦИЯ 08 (Электронные лекции)

ЛЕКЦИЯ 8

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

8.1. Газовые лазеры на нейтральных атомах.

Лазер на смеси благородных газов гелия (Не) и неона (Ne) был одним из первых, реализованных в виде коммерческого продукта. В таких лазерах рабочими являются переходы между энергетическими переходами Ne, то есть логично было бы назвать его неон-гелиевым, однако повсеместно утвердилось название гелий-неоновый. Широкое распространение, особенно на заре «лазерной эры», эти лазеры получили благодаря своей относительной дешевизне, малому энергопотреблению, простой возможности получения действительно одномодового режима, то есть низшей поперечной моды и одной частоты генерации. Последнее свойство оказалось весьма важным для создания лазерных гироскопов. Немалую роль сыграло то, что излучение гелий-неонового лазера красного диапазона (0,6328 мкм) оказалось идеальным инструментом для юстировки лазерных резонаторов и основой для широко используемых измерительных приборов ― лазерных уровней, теодолитов, дальномеров и т.п. Именно с помощью излучения 0,6328 мкм было обнаружено биостимулирующее действие лазерного излучения, вылившееся в целое направление в медицине ― низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ), в последнее время часто называемое лазерная биостимуляция. Кроме этого гелий-неоновые лазеры используются в приборах медицинской диагностики ― допплеровских измерителях кровотока, всевозможных анализаторах размера, концентрации и деформации биологических объектов. Эти применения будут рассмотрены позднее в рамках данного курса.

В настоящее время их в значительной степени вытеснили полупроводниковые лазеры, излучающие в этом диапазоне. За гелий-неоновыми лазерами остались применения, в которых требуется высокая пространственная и временная когерентность излучения.

Рабочим веществом в этом лазере являются нейтральные атомы неона. Для возбуждения используются столкновения с электронами в плазме газового разряда. В данном случае используется тлеющий разряд, в котором плотность тока невелика, и, соответственно, степень ионизации плазмы — тоже. Слабоионизованная плазма тлеющего разряда — характерный пример термодинамически неравновесной среды, которую можно представить себе как смесь электронов, ионов и нейтральных атомов, причем из-за малой концентрации заряженных частиц столкновениями нейтральных атомов с ионами можно пренебречь (ионы между столкновениями хотя и разгоняются, но этого недостаточно для того, чтобы «испортить» термодинамическое равновесие, поскольку сталкиваются, в основном, с нейтральными атомами одинаковой с ними массы), а вот электроны, из-за большой разницы масс, между столкновениями разгоняются очень сильно, и их температура оказывается гораздо выше температуры тяжелых частиц. Столкновения с электронами легко возбуждают атомы неона практически на все возможные уровни, но для создания инверсии одного возбуждения мало. Рассмотрим упрощенную схему уровней неона (см. рис. 8.1):

Из основного состояния Е₁ атомы неона соударением с электронами возбуждаются на уровни от Е₂ до Е₅. Уровни Е₄ и Е₅ метастабильны, т.е. их время жизни из-за правил запрета и других причин на несколько порядков превышает время жизни уровня Е₃. Казалось бы, предпосылки для создания инверсии между Е₄, Е₅ и Е₃ налицо. Однако, заселенный нижележащий уровень Е₂ не дает опустошаться Е₃, и, в итоге, инверсию в чистом неоне создать очень трудно. Помогает добавка гелия, поскольку энергия метастабильных уровней F₂ и F₃ близка к Е₄ и Е₅. Столкновения с атомами гелия создают избыточную заселенность уровней Е₄ и Е₅ за счет резонансной передачи возбуждения:

H
e* + Ne  Ne* + He* + Е_кин

Очевидно, что для создания стационарной инверсии столкновения неона с гелием должны происходить достаточно часто. Поэтому в газоразрядной трубке парциальное давление гелия обычно значительно (на порядок и более) превышает парциальное давление неона. Дополнительный эффект приносят столкновения атомов неона со стенками трубки, опустошающие уровень Е₃.

Итак, за создание инверсии ответственны три процесса в плазме газового разряда: столкновения с электронами, столкновения со стенками трубки и столкновения с возбужденными атомами гелия. Последний из перечисленных процессов является, в данном случае, преобладающим. Подчеркнем, что такой способ создания инверсии с помощью использования буферного газа, не участвующего в процессе вынужденного излучения, но зато легко возбуждаемого, получил в лазерной технике широкое распространение.

Обычно для изображения рабочих уровней атомов газов используются обозначения Пашена (рис. 8.2):

Нижним из возбужденных состояний гелия 2³S₁ и 2³S₀ соответствуют энергии 19,82 эВ и 20,6 эВ. Оптические переходы из этих состояний в основное ¹S₀ запрещены. Поэтому состояния 2¹S₀ и 2³S₁ метастабильны с временами жизни 10^-3 сек. Уровни неона 3s и 2s близки к 2¹S₀ и 2³S₁. При столкновениях с гелием активно заселяются состояния 3s и 2s, обеспечивая инверсию по отношению к состояниям 3p и 2p. Наиболее часто для генерации используются переходы 3s₂ – 2p₄ (  = 632,8нм); 3s₂ – 3p₄ (  = 3391,3 нм ); 2s₂ – 2p₄ (  = 1152,3 нм). Оптимальная плотность тока разряда для создания инверсии составляет 100–200 мА/см², причем электронная температура определяется величиной произведения давления газа р на внутренний диаметр трубки D. При малых рD электронная температура велика. Обычно выбирают давление 1 - 3 Торр, диаметр трубки 2 – 5 мм, рабочий ток от 10 до 50 мА. Неон-гелиевые лазеры можно делать с внутренними зеркалами (монолитная конструкция с запаянными в трубку зеркалами). Такая конструкция отличается наименьшими потерями (между зеркалами ничего нет, кроме активной среды). Поэтому лазер с внутренними зеркалами имеет чрезвычайно низкий порог самовозбуждения, простоту и надежность конструкции и высокую кратковременную стабильность. Однако контакт покрытий зеркал с плазмой разряда приводит к относительно быстрому разрушению покрытия, поэтому лазер с внутренними зеркалами получил весьма ограниченное распространение. Наибольшим успехом пользуется конструкция лазера, в которой газоразрядная трубка снабжается окнами, расположенными под углом Брюстера к
оптической оси (рис. 8.3).

Благодаря брюстеровским окнам излучение заданного направления поляризации проходит внутрирезонаторный промежуток с наименьшими потерями. Все остальные направления поляризации оказываются в подпороговом режиме. В итоге вся инверсия сбрасывается в избранную поляризацию, и выходное излучение оказывается в очень высокой степени поляризованным. Вдобавок достигается максимальный срок службы газоразрядной трубки и зеркал, облегчается юстировка, возможности смены зеркал, в том числе для генерации на разных длинах волн, появляется возможность управления резонатором (перестройка частоты, селекция мод, модуляция и т.д.).

Для медицинских целей наиболее употребительной является длина волны 632,8 нм (красный диапазон). Это связано с тем, что с самых первых опытов было обнаружено биостимулирующее действие этого излучения, благотворно влияющего на процессы регенерации тканей при лечении язв, ран, ожогов и прочих патологий, обычно требующих длительного и не гарантирующего успеха лечения. Лазер на длине волны 632,8 нм довольно капризен в работе из-за того, что усиление на этом переходе невелико (несколько процентов с метра активной среды). Поэтому приходится делать зеркала с очень высокими коэффициентами отражения, соответственно превращая юстировку в кропотливый и требующий большой квалификации процесс. Другой особенностью этого типа лазера является неоднородное уширение линии рабочего перехода (см. Л4). Действительно, используя формулу (4.16), получим, что для Т = 400К, _д  1500 МГц, в то время как естественная ширина линии _o составляет  20 МГц, а столкновительная дает добавку к естественной в виде _cт /р  75 МГц/Торр. При давлениях 1–3 Торр _д  _ст, поэтому за ширину линии рабочего перехода в основном в ответе эффект Допплера. Это означает, что при длинах резонатора в несколько десятков сантиметров (с/2l  150 МГц/м) на доплеровском контуре помещаются несколько резонаторных мод, причем за счет неоднородности уширения все они могут генерироваться одновременно. Чтобы лазер работал в одномодовом режиме, приходится брать короткие резонаторы (не более 15 см), а это вынуждает ограничиваться малыми длинами активной среды. Поэтому одномодовый режим дает выходную мощность, существенно меньшую, чем многомодовый. Максимальные величины выходной мощности для промышленно выпускаемых лазеров составляют до 5 мВт в одномодовом и до 50 мВт в многомодовом режимах.

Следует отметить, что зачастую под термином одномодовый некорректно понимают лазер, работающий в низшем поперечном типе колебаний безотносительно к частотному спектру лазера, а действительно одномодовые лазеры (одна поперечная мода и одна частота генерации) называют одночастотными.

Потребляемая от сети мощность не менее 10 Вт на каждый мВт выходной мощности (обычно больше). Малый КПД гелий-неоновых лазеров связан, с одной стороны, с большим расстоянием между нижним лазерным уровнем и основным состоянием ( квантовая эффективность, или квантовый предел для перехода 3s₂ – 2p₄ составляет  8 ), с другой стороны, относительной сложностью механизма создания инверсии, из-за чего для возбуждения верхнего рабочего уровня приходится использовать лишь небольшую часть энергии накачки. Поэтому реальный КПД для He-Ne лазеров выражается цифрой (0,01–0,1)  [1,2].

Маломощность и другие недостатки газовых лазеров на нейтральных атомах существенно сузили сегодня их сферу практических применений. Однако уникальные свойства их излучения с точки зрения наивысшей из достигнутых степени пространственной и временной когерентности делают этот тип лазеров измерительным средством исключительной прецизионности [3]. Следовательно, применение газовых лазеров в диагностике, на сегодня реализованное в ничтожной степени, обрисовывает для них гигантские перспективы.

Поскольку все лазерные диагностические приборы априори относятся к средствам измерения, на роли газовых лазеров в измерительной технике следует остановиться подробнее.

Для каждого вида измерений существует цепь передачи размеров единиц, или поверочная схема, возглавляемая первичным эталоном. Качество первичного эталона в конечном счете определяет точность и единство измерений выбранной величины и тем самым определяет уровень науки и техники, поскольку, как выразился основоположник отечественной метрологии Д.И. Менделеев, «наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука невозможна без меры».

Чаще других физических величин приходится измерять длину. Пресловутый эталон метра, хранящийся в Международном Бюро мер и весов, перестал удовлетворять требованиям точности и стабильности еще в конце ХIХ века, поскольку наряду с колебаниями параметров окружающей среды на его длину влияла еще и практически неконтролируемая перекристаллизация материала. Уже тогда в качестве эталона длины была предложена оптическая единица, пришедшая из интерферометрии (сначала это была длина волны изотопа кадмия-114, затем криптона-86). Оптические эталоны длины, в отличие от платино-иридиевых болванок, не старели и практически не зависели от внешних факторов (температуры, влажности, давления и т.п.). Однако тормозом для повышения точности (для криптона погрешность измерения метра составила около 0,01 мкм) стали малая длина когерентности и низкая интенсивность излучения, существенно ограничивавшие возможности автоматизации измерений.

Настоящую революцию в измерениях вызвало появление лазеров. Практически сразу, как только появились сообщения об измерении стабильности частоты гелий-неоновых лазеров, возник вопрос о пересмотре эталона длины. Методы стабилизации частоты, сначала по лэмбовскому провалу (см. Л4), затем по линиям поглощения открыли возможности повышения точности и воспроизводимости частоты сразу на много порядков. Выдающуюся роль в таком «прорыве» сыграли работы В.С. Летохова и В.П. Чеботаева [4], результаты которых сразу же были подхвачены во всем мире. В конце 60-х годов минувшего века обозначились два типа лазеров, стабилизированных по нелинейному поглощению, и оба работали на смеси неона с гелием. Именно, для стабилизации частоты на длине волны 632,8 нм использовался йод, а на длине волны 3391,3 нм ― метан. Поскольку для медицины наиболее важен лазер видимого диапазона, остановимся на первом типе.

Первый атлас линий поглощения молекулы йода появился в 1985 г. Длины волн в нем были определены с точностью до шестого знака. Однако при этом не были указаны характерные интенсивности линий и способы их идентификации, что совершенно недостаточно для определения возможностей стабилизации частоты лазера, поскольку для этого необходима стабильность и воспроизводимость не менее, чем в восьмом знаке. Как это часто бывает, обстоятельное исследование режимов работы лазера с йодной поглощающей ячейкой значительно (примерно на 10 лет) отстало от первых сообщений о создании Не-Ne лазеров, стабилизированных по поглощению в йоде.