Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

Г Л А В А 10

ГАЗОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ)

§10.1. Общая характеристика газовых лазеров

Газовыми лазерами называются лазеры, в которых активной сре­ дой служит газообразное вещество, что приводит к заметным отличиям газовых лазеров от других типов лазеров. Во-первых, рабочими уров­ нями в газе служат уровни почти изолированных частиц (атомов, ионов, молекул). В газе взаимодействие между частицами значительно мень­ ше, чем в твердых телах и жидкостях, поэтому линии рабочих пере­ ходов очень узки (10-"7 ч- 10~6 мкм). Во-вторых, газовая среда обла­ дает гораздо большей оптической однородностью, чем другие лазерные среды, поэтому потери на рассеяние и дифракционные потери в ней минимальны. Относительно небольшая плотность активных частиц в газовой среде имеет и определенный минус. Дело в том, что выпол­ нить условие генерации для среды с малой плотностью активных ча­ стиц можно только при наличии среды большой протяженности. По­ этому газовые лазеры имеют большие размеры, чем лазеры на ионных кристаллах и стеклах и тем более полупроводниковые лазеры. В за­ висимости от используемой газообразной среды и поставленных задач длина разрядных трубок газовых лазеров меняется от нескольких сантиметров до сотни и более метров, а выходные мощности — от долей ватта до киловатт.

В настоящее время газовые лазеры представляют наиболее широко используемый тип лазера, превосходящий в смысле широты распростра­ нения даже лазеры на рубине. Единственно, в чем газовые лазеры су­ щественно уступают рубиновому и неодимовому лазерам — это в по­ лучении больших мощностей в режиме с модуляцией добротности, хотя в непрерывном режиме мощности, достигнутые сейчас в газовых лазерах, наибольшие.

Область длин волн, в которой работают газовыми лазерами, про­ стирается от ультрафиолетовой ( ~ 0,2 мкм) до далекой инфракрасной области спектра (400 мкм), частично захватывая даже миллиметро­ вую область спектра. Отметим также, что газовые лазеры позволяют получить наиболее узкие линии генерации (около 1 гц) и что выходной

же фронт нарастания (спада) токового импульса недоататочно крутой,

стационарный разряд, используемый в газовых лазерах, разделяется на тлеющий и дуговой.

Тлеющий разряд характеризуется относительно небольшими плот­ ностями тока (10 5 -т- Ю - 1 а/см2) и значениями параметра а р , значи­ тельно меньшими, чем для импульсного разряда. Для плазмы тлею­ щего разряда степень ионизации мала (10~4 -M0~2 % ) . Газ при тлею­ щем разряде разогревается слабо, термические процессы незначитель­ ны, яркость свечения газа невелика. Тлеющий разряд может быть либо разрядом постоянного тока, либо высокочастотным тлеющим разрядом (частоты 10 -г- 50 Мгц).

Дуговой разряд характеризуется очень большими плотностями тока (103 а/см2); параметр а р имеет почти такие же значения, как при тле­ ющем разряде. Степень ионизации в плазме дугового разряда может достигать 10%; газ имеет высокую температуру, разряд ярко светится.

В плазме газового разряда (нас будет интересовать основная часть разряда, называемая положительным столбом) существуют нейтраль­ ные атомы и молекулы в невозбужденном состоянии, нейтральные атомы и молекулы в возбужденном состоянии, ионы (положительные и отрицательные, в возбужденном и невозбужденном состоянии) и элек­ троны. Так как концентрации отрицательно и положительно заряжен­ ных частиц одинаковы, плазма электрически нейтральна. Все части­ цы плазмы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движе­ нии, а заряженные частицы дрейфуют также к соответствующему элек­ троду. Средняя энергия каждой частицы превышает тепловую, так как частица получает некоторую дополнительную энергию за счет электрического поля. Электроны, соударяясь с нейтральными атома­ ми, почти не отдают им своей энергии, так как их масса во много раз меньше массы атомов. Ионы же при соударениях с атомами интенсивно

Различают упругие соударения частиц в плазме, при которых суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц не меняет­ ся, и неупругие соударения, когда общая кинетическая энергия стал­ кивающихся частиц меняется за счет их внутренней энергии. Если сум­ марная кинетическая энергия частиц убывает и за счет этого возра­ стает внутренняя энергия одной (или обеих) частицы, то такое неупру-