Задача 16. Лазер на смеси гелия и неона. (Задачи атомного практикума), страница 4

При взаимодействии электронов и ионов с атомами газа и между собой происходит перераспределение энергии. Обмен энергиями между ионами и атомами протекает интенсивно (так как их массы равны), поэтому средняя кинетическая энергия ионов практически равна средней энергииатомов. В газовом разряде низкого давления (несколько миллиметров ртутного столба) при упругих соударениях электронов с атомами и ионами газа обмен энергиями между ними практически непроисходит (так как масса электрона значительно меньше массыатома). Поэтому в стационарном разряде между электронами(вследствие взаимодействия между ними) быстро устанавливается(квази)равновесное распределение, характеризуемое некоторойсредней энергией, назовём её температурой Te .При этом средняя энергия электронов оказывается существеннобольше средней энергии атомов ( Te >> Ta ).Составим уравнение баланса энергии для электронов, считая,что проводимость плазмы обусловлена, в основном, движениемэлектронов (из-за того, что M >> m, скоростью ионов пренебрегаемпо сравнению со скоростью электронов).

Тогда джоулево тепло, выделяемое в электронном газе, уравновешивается передачей энергииот электронов ионам и атомам при упругих столкновениях^σε2n( T − T ) meτ;MTe =mv22(51)∧Здесьε - напряженность электрического поля, σ = n e 2τ / m-проводимость плазмы, n - плотность электронов, τ = 1 / v - времямежду двумя соударениями электрона с атомом, v - средняя скорость электронов, l = 1 / N σ - длина свободного пробега электроea1Прежде, чем ознакомиться с настоящим описанием, необходимо изучить общие принципы работы ОКГ, изложенные во «Введении к лабораторной работе 16» .25на, σea- сечение рассеяния электрона на атоме, N - плотность ато-мов.Множитель m / M (m - масса электрона, M - масса атома) отражает тот факт, что при упругом соударении электрон передаетлишь долю ≈ m / M своей энергии. Из (51) получаем оценку длятемпературы электронов в плазме:T ≅ eε l M / m .e(52)При величинах полей, реализующихся в положительных столбахразрядов низкого давления, температуры электронов, определяемыхиз (52), могут достигать значительных величин (~100 эВ).

В действительности, однако, этого не происходит, поскольку по достиженииэлектронами энергий порядка энергий возбуждения уровней атомов,они начинают сталкиваться неупруго, теряя при каждом соударениипорцию энергии, равную энергии возбуждения уровня при его ионизации. Из-за неупругих соударений энергия электронов не может заметно превысить порог возбуждения атомов. Поэтому оценка электронной температуры (52), не учитывающая неупругие соударения,является завышенной. Однако именно высокие Te в (52) являютсяпредпосылкой того, что значительное количество электронов сможет приобретать в газовом разряде энергию, необходимую для возбуждения атомов.

Поэтому в разряде найдется достаточное количество электронов, которые будут испытывать с атомами неупругиесоударения - возбуждать и даже ионизировать атомы.Если в разряде присутствует смесь двух газов, то при соударении двух различных атомов может происходить обмен энергией возбуждения, если при этом атомы обладают близко расположеннымиэнергетическими уровнями. В этом случае практически вся энергиявозбуждения первого атома переходит в энергию возбуждения второго, и лишь малая ее часть переходит в кинетическую энергиюсталкивающихся частиц.

При этом ранее возбужденный атом в результате такого соударения безызлучательно переходит в основноесостояние. Особый интерес представляет случай, когда обмен энергией происходит между атомом, находящимся в метастабильном состоянии, и невозбужденным атомом. В этом случае существует возможность передачи энергии возбуждения с сильно населенного метастабильного уровня атомов одного газа атомам другого газа, чтоможет привести к созданию инверсной населенности их уровней.Таким образом, возбуждение атомов газа в электрическом разрядевызывается двумя основными причинами: а) электрон - атомными26столкновениями и б) резонансной передачей энергии в газовой смеси, состоящей более чем из одного компонента.

В газовом разрядевозбужденный атом может перейти в более низкое энергетическоесостояние (включая основное) в результате следующих процессов:а) при столкновении возбужденного атома с электроном, в процессекоторого возбужденный атом отдает свою энергию электрону;б) при атом-атомных столкновениях в газовой смеси, состоящей издвух и более компонентов;в) при столкновении возбужденного атома со стенками газоразрядной трубки;г) спонтанного излучения.Большинство лазеров имеют конструкцию, схема которойпредставлена на рис.7. Оба выходных окна 2 разрядной трубки 1расположены под углом Брюстера (угол α ), при котором луч лазера,поляризованный в плоскости рисунка, не испытывает потерь на отражение от окна.Рис. 7.

Схема устройства газового лазера: 1 – газоразрядная трубка;2 – брюстеровские окна; 3 – электроды; 4 – зеркала резонатора.Типичным представителем газовых лазеров на нейтральныхатомах, в которых инверсная населенность обеспечивается резонансной передачей энергии, является гелий-неоновый ( He – Ne )лазер.В этом лазере активными частицами являются атомы неона,между уровнями которого осуществляется инверсия, а атомы гелияслужат для создания эффективной накачки верхнего лазерногоуровня атомов неона. Этот лазер получил широкое распространениев технике и лабораторной практике.

На рис.8 приведена диаграмманизших энергетических уровней атомов гелия и неона (см.[1], 52).31Уровни 1s2s S1 и 1s2s S0 гелия - метастабильны, прямой ра2 1диационный переход в основное состояние 1s S0 запрещен. Основное состояние атома неона соответствует электронной конфигу2722рации 1s 2s 2p6и имеет терм1S0 . Выше (на 16,7 эВ) основногосостояния расположены четыре подуровня, соответствующие элек25тронной конфигурации 2s 2p 3s .Далее расположена группа из 1025подуровней, соответствующая электронной конфигурации 2s 2p 3p.и т.д.

(см.рис.8; на нем не указаны подуровни,Рис. 8. Схема нижних энергетических уровней He и Ne55(уровни Ne 2p 4p и 2p 3d не показаны).25соответствующие электронным конфигурациям2s 2p 4p и252s 2p 3d ). При столкновении атомов гелия, находящихся в мета31стабильных состояниях 1s2s S1 и 1s2s S0 с атомами неона, находящимися в основном состоянии, возможна передача энергии возбуждения атому неона.

При этом, поскольку вероятность обменаэнергией возбуждения между атомами тем больше, чем ближе друг кдругу расположены их уровни, атом неона перейдет на один из55уровней, принадлежащих конфигурациям 2p 4s или 2p 5s, а атомгелия вернется в основное состояние.Процесс резонансной передачи энергии особенно эффективен,если разница энергий ∆E уровней, между которыми происходит переход, не превышает энергию теплового движения частиц газа, тоесть, если ∆E ≤ kT .28Процесс резонансной передачи энергии возбужденного атомагелия невозбужденному атому неона будет протекать по схеме(см.рис.8).He ( 1s 2 s )32 62 125S + Ne ( 2 s 2 p ) → He ( 1s ) S + Ne ( 2 s 2 p 4 s )101He ( 1s 2 s ) S20+ Ne( 2 s 2 p6) → He ( 1s2251) S220(53)5+ Ne ( 2 s 2 p 5 s )5Таким образом, уровни 2s 2p 4s и 2s 2p 5s неона будут населяться не только за счет электронных ударов, но, главным образом, засчет столкновений атомов неона с возбужденными атомами гелия.Число соударений, при которых происходит процесс резонанснойпередачи энергии, пропорционально концентрации сталкивающихсячастиц в исходных состояниях, то есть скорость заселения верхнихлазерных уровней неона пропорциональна концентрации невозбужденных атомов неона и заселенности метастабильных состояний1s2s 1S0 и 1s2s 3S1 атомов гелия.

Большое время жизни атомовгелия в этих состояниях обуславливает высокую заселенность этихсостояний и, в конечном итоге, достаточно высокую скорость засе2525ления верхних лазерных уровней неона 2s 2p 4s и 2s 2p 5s за счетрезонансной передачи энергии. Этот процесс является доминирующим в создании инверсной населенности в гелий-неоновом лазере,хотя и прямые столкновения электронов с атомами неона также участвуют в накачке. Таким образом, верхние лазерные уровни неона2525(2s 2p 4s и 2s 2p 5s) эффективно заселяются .

Этому способствуеттакже то обстоятельство, что время жизни этих уровней неона−7−8( ≈ 10с) на порядок больше времени жизни 2p 3p уровней (10с). В согласии с правилами отбора, с системы верхних уровней (2p54s и2p55s ) могут переходить на нижние 2p53p уровни, а затем5с большой вероятностью (поскольку 2p 3p уровни короткоживу5щие) радиационно переходить на более низкие 2p 3s уровни. Всеэто и обеспечивает выполнение условия инверсной населенности(см. Общее “Введение”, форм.(40)).5Г τ >Г τв вн н(54)Описанный механизм заселения уровней неона обеспечивает получение инверсной населенности между парами подуровней292p55s → 2p53p (излучение с длиной волны λ = 63281A° ) и2p54s → 2p53p ( λ = 11523 A° ), допуская возможность гене2рации на двух переходах.

Поскольку возбужденные уровни неонаявляются сложными мультиплетами, то генерация возможна на многих переходах между компонентами упомянутых мультиплетов 2.Таким образом, ОКГ на смеси гелия и неона работает по четырехуровневой энергетической схеме (см. общее “Введение”), что даетвозможность осуществления стационарной генерации излучения. Вп.5 общего “Введения” показано, что в режиме стационарной гене, определяерации инверсная населенность равна пороговой ∆Nпормой по формуле∆Nгдепор∆N пор = N 2 − N1;≈1− R k+2 Lσ σ(55)N 2 и N - заселенности верхнего и1нижнего лазерного уровней , соответственно ; L - длина активногоэлемента ;σ - сечение фотопоглощения; R - эффективный коэффициент отражения зеркал резонатора; k - коэффициент поглощения в веществе,не связанный с переходом 2 → 1 .