Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В качестве примера можно привести серию Бальмера по водороду (рис.1.5) с длинами волн от 365 до 656 нм. Хотя атомы водорода до сих не проявляли себя в качестве хороших лазерных сред, схема их энергетических уровней и видимый диапазон длин излучаемых волн можно считать в высшей степени характерными, в том числе и для других атомов. Причина плохой пригодности Н-атомов в качестве активных сред лазера состоит в том, что водород при нормальных температурах образует устойчивые молекулы Н„ которые приходится диссоциировать в газовом разряде только с целью формирования атомов водорода. Для генерации видимого излучения вполне годятся инертные газы (Не, г(е, Аг, Кг, Хе), поскольку они представлены в атомарной форме. Наряду с линиями в видимом диапазоне, атом водорода излучает также ультрафиолетовый свет, но соответствующие переходы (серия Лаймана) заканчиваются в основном состоянии, которое не подходит в качестве нижнего лазерного уровня в силу его высокой населенности.
Это касается и спектров других атомов, так что генерация коротковолнового лазерного излучения затруднена переходами в его основные состояния. Помимо этого, имеются многочисленные инфракрасные переходы (серия Пашена и др.). Но линии излучения обладают — по сравнению с энергией возбуждения верхнего лазерного уровня — недостаточной энергией фотонов, так что квантовая эффективность слишком мала лля генерации инфракрасного видимого излучения.
Инфракрасный свет лучше генерируется молекулами (см. главу 6), поскольку в этом случае светоизлучаюшие состояния совсем немного отстоят от основного состояния. Итак, пример схемы энергетических уровней атома водорода (рис.1.5 и!.6) наглядно демонстрирует, почему атомарные газы находят применение, прежде всего, при создании лазеров для видимой области спектра. 4.1. Гелий-неоновые лазеры Гелий-неоновый лазер — наряду с диодным или полупроводниковым — относится к числу наиболее часто используемых и самых приемлемых по цене лазеров для видимой области спектра. Мощность лазерных систем такого рода, предназначенных, в основном, для коммерческих целей, находится в диапазоне от 1 мВт до нескольких десятков мВт.
Особенно популярны не столь мощные Не-Ме-лазеры порядка 1 мВт, которые используют, главным образом, в качестве юстировочных устройств, а также для решения иных задач в сфере измерительной техники, В ин- ( М Глава 4. Пазерные аереходы в неатральных атомах фракрасном и красном диапазонах гелий-неоновый лазер все чаще вытесняется диодным лазером. Не-Хе-лазеры способны, наряду с красными линиями, излучать также оранжевые, желтые и зеленые, что достигается благодаря соответствующим селективным зеркалам.
Схема энергетических уровней Столкновение второго рода 2. Аг! Лэ 2150 1 10 20 2~Б1 О.'3 к в о. Ф 1 10 Столкновение электронов б — — - — Спонтанное излучение Р 6 Л Гелий Неон Рис. 4.1. Схема энергетических уровней Нс-1чс-лвзсрв. У неона уровни обозначены но Пашсну, то есть: Зв2, Звз, Зв4, Зв5 и т.д. Важнейшие для функции Не-Хе-лазеров энергетические уровни гелия и неона представлены на рис.
4.1. Лазерные переходы осуществляются в атоме неона, причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волн б33, 1153 и 3391 (см. таблицу 4.!). Электронная конфигурация неона в основном состоянии выглядит так: 1Р2вз2рь, причем первая оболочка (н = 1) и вторая оболочка (л = 2) заполнены соответственно двумя и восемью электронами. Более высокие состояния по рис. 4. ! возникают в результате того, что здесь имеется 1вт2вз2рз-оболочка, и светящийся (оптический) электрон возбуждается согласно схеме: Зв, 4в, 5в,..., Зр, 4р,... и т.д. Речь идет, следовательно, об одноэлектронном состоянии, осуществляющим связь с оболочкой.
В схеме (.Б (Рассела — Саундерса) для энергетических уровней неона указано одно- электронное состояние (например, 54), а также результирующий полный орбитальный момент Е (= Я, Р, Р,...). В обозначениях Я, Р, Р,... нижний индекс показывает полный орбитальный момент У, а верхний — мультиплетность 25 +1, например, 5з Р, (см, главу 1). Нередко используется чисто феноменологическое обозначение по Пашену (рис. 4.1).
При этом счет подуровней возбужденных электронных состояний ведется от 2 до 5 (для з-состояний) и от! до 10 (для р-состояний). всг - р вф табаииа 4л. Обозначения переходов интенсивных линий Не-)х)е-лазера Схема связи сб Обозначение по Нашему Длины волн 5з'Р, вар, 4з'Р, — в Зр'Р, 5з'Р— в Зр'Р Зз, — в Зр, 2з, -в 2р, Зз -ч 2р 3,391 мкм (инфракрасный диапазон) 1,153 мкм (инфракрасный диапазон) 0,633 мкм (красный диапазон) Возбуждение Активная среда гелий-неонового лазера представляет собой газовую смесь, к которой в электрическом разряде подается необходимая энергия. Верхние лазерные уровни (2з и 2р по Пашену) избирательно заселяются на основе столкновений с метастабильными атомами гелия (2зХи 2'Ев).
При этих столкновениях происходит не только обмен кинетической энергией, но и передача энергии возбужденных атомов гелия атомам неона. Этот процесс называют столкновением второго рода: Не*+ Хе — з Не+ Хев+ АЕ, (4.1) где звездочка (*) символизирует именно возбужденное состояние. Разность энергий составляет в случае возбуждения 2з-уровня: АЕвв 0,05 эВ. При столкновении имеющаяся разность преобразуется в кинетическую энергию, которая затем распределяется в виде тепла. Для Зз-уровня имеют место идентичные отношения. Такая резонансная передача энергии от гелия к неону и есть основной процесс накачки при создании инверсии населенностей.
При этом долгое время жизни метастабильного состояния Не благоприятно сказывается на селективности заселения верхнего лазерного уровня. Возбуждение Не-атомов происходит на основе соударения электронов — либо непосредственно, либо через дополнительные каскадные переходы из вышележащих уровней. Благодаря долгоживушим метастабильным состояниям плотность атомов гелия в этих состояниях весьма велика. Верхние лазерные уровни 2з и Зз могут — с учетом правил отбора для электрических доплеровских переходов — переходить только в нижележащие р-уровни. Для успешного генерирования лазерного излучения крайне важно, что время жизни з-состояний (верхний лазерный уровень) = примерно 100 нс, превышает время жизни р-состояний (нижний лазерный уровень) = 10 нс.
Длины ВОлн Далее мы более детально рассмотрим важнейшие лазерные переходы, используя рис. 4.1 и данные из таблицы 4.1. Самая известная линия в красной области спектра (0,63 мкм) возникает вследствие перехода Ззз — з 2р,. Нижний уровень расщепляется в результате спонтанного излучения в течение 10 нс в 1з-уровень (рис. 4.1). Последний устойчив к расщеплению благодаря электрическому дипольному излучению, так что для него характерна долгая естественная жизнь.
Поэтому атомы концентрируются в данном состоянии, которое оказывается высоконаселенным. В газовом разряде атомы в таком состоянии сталкиваются с электронами, и тогда вновь происходит возбуждение 2р- и Зз-уровней. При этом уменьшается инверсия населенностей, что ограничивает мощность лазера. ( 82 Глава 4. Лазерные переходы в нешпральных атомах Опустошение 1в-состояния осуществляется в гелий-неоновых лазерах преимущественно из-за столкновений со стенкой газоразрядной трубки, в связи с чем при увеличении диаметра трубки отмечается снижение усиления и понижение кпд.
Поэтому на практике диаметр ограничивается примерно 1 мм, что, в свою очередь, приводит к ограничению выходной мощности Не-1Че-лазеров несколькими десятками мВт. Участвующие в лазерном переходе электронные конфигурации 2х, Зх, 2р и Зр расщепляются в многочисленные подуровни. Это приводит, например, к дальнейшим переходам в видимой области спектра, как видно из таблицы 4.2. При всех видимых линиях Не-Яе-лазера квантовая эффективность составляет пор яака 10 %, что не так уж много. Схема уровней (рис. 4.1) показывает, что верхние лазерные уровни располагаются примерно на 20 эВ выше основного состояния.
Энергия же красного лазерного излучения составляет всего 2 эВ. Таблица 4д. Длины волн )., выходные мощности и ширина линий ау Не-Мелазера (обозначения переходов по Пашену) Излучение в инфракрасном диапазоне около 1,157 мкм возникает посредством переходов 2в — ь 2р. То же самое относится к несколько более слабой линии примерно 1,512 мкм. Обе эти инфракрасных линии находят применение в лазерах коммерческого назначения. Характерной особенностью линии в ИК-диапазоне при 3,391 мкм является высокое усиление. В зоне слабых сигналов, то есть при однократном прохождении слабых световых сигналов, оно составляет порядка 20 дБ/м.
Это соответствует коэффициенту 100 для лазера длиной в 1 метр. Верхний лазерный уровень такой же, как и при известном красном переходе (0,63 мкм). Высокое усиление, с одной стороны, вызвано крайне коротким временем жизни на нижнем Зр-уровне. С другой стороны, это объясняется относительно большой длиной волны и, соответственно, низкой частотой излучения.
Обычно соотношение вынужденного и спонтанного излучений увеличивается для низких частот Г. Усиление слабых сигналов я, «ак правило, пропорциональное - Г'. Без селективных элементов излучение гелий-неонового лазера происходило бы на линии 3,39 мкм, а не в красной области при 0,63 мкм. Возбуждению инфракрасной линии препятствует либо селективное зеркало резонатора, либо поглощение т.1г т. т аДт) в брюстеровских окнах газоразрядной трубки. Благодаря этому порог генерации лазера может повыситься до уровня, достаточного для излучения 3,39 мкм, так что здесь появляется только более слабая красная линия. Конструктивное исполнение Необходимые для возбуждения электроны образуются в газовом разряде (рис.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
