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

из основного состояния иона. Как показывают теоретические оценки, между двумя близко лежащими (по сравнению с их расстоянием до основного энергетического уровня) энергетическими уровнями инвер­ сия населенностей создается в том случае, если время жизни верх­ него уровня больше, чем нижнего. По результатам измерений времена жизни уровней 4р иона аргона в несколько раз превышают времена жизни уровней 4s, т. е. между этими группами уровней возможно создание инверсной населенности.

В настоящее время в ионном аргоновом лазере в непрерывном ре­ жиме получена генерация на девяти линиях в интервале длин волн от 0,4545 до 0,5145 мкм. Коэффициент полезного действия аргонового лазера невелик: 0,01 -г- 0,1%.

Отметим прежде всего чисто технические причины. Иногда на неко­ торых газовых переходах инверсия населенностей создается лишь при достаточно высоких разрядных токах. Такие высокие разрядные токи невозможно использовать в непрерывном режиме работы хотя бы из-за трудностей с тепловым режимом трубки. В импульсном же

пульсным позволяет использовать в газовом лазере принципиально другие физические процессы. Например, если в условиях стационар­ ного разряда возбуждаются нижние энергетические уровни одноза­ рядных ионов, то в импульсном разряде возможно возбуждение ниж­ них энергетических уровней многозарядных ионов. У многозарядных ионов расстояния между уровнями больше, и переходы могут попа­ дать в ультрафиолетовую область спектра. В большинстве случаев генерация в ультрафиолетовой области спектра связана как раз с пере­ ходами между уровнями многозарядных ионов.

Другой особенностью импульсного режима является возможность использования для создания инверсной населенности нестационар­ ных процессов в плазме газового разряда. На рис. 10.6 показано, каким

верхнего и нижнего рабочих уровней в течение импульса. На переднем фронте токового импульса преимущественно заселяется верхний уро­ вень. График населенности верхнего рабочего уровня резко нарастает как функция времени, но затем наступает насыщение и населенность верхнего уровня практически не зависит от времени. Как показано на графике, нижний рабочий уровень заселяется вначале более медлен­ но, но когда населенность верхнего уровня достигла насыщения, населенность нижнего уровня продолжает расти и становится больше населенности верхнего уровня. На рис. 10.6, в показана временная зависимость разности населенностей между верхним и нижним рабочими уровнями. Видно, что в начале импульса населенность верхнего уров-

270

ня больше, затем населенности сравниваются, далее населенность больше на нижнем уровне. Наконец, на рис. 10.6, г показано превы­ шение разности населенностей над пороговой разностью населенностей. Генератор работает в течение отрезка времени be, т. е. пока инверсная населенность превышает пороговую. Все проведенные рассуждения относились к переднему фронту токового импульса. Здесь же показано, например, каким образом ин-

к. п. д. будет еще меньше. К- п. д. лазеров можно увеличить, если использовать в качестве рабочих энергетические уровни, располо­ женные близко к основному состоянию. Такими являются, например, колебательные уровни молекул. На рис. 10.7 показаны возможные ко­ лебания в молекуле С 0 2 . Это линейная симметричная молекула, у ко­ торой атом углерода располагается между двумя атомами кислорода.

271

кислый газ используется в смеси с азотом. При возникновении газового разряда углекислый газ диссоциирует на кислород и окись углерода:

2СОа ->-2СО + Оа .

Таким образом, в газовом разряде, кроме молекул углекислого газа (С02 ) и азота (N2 ), есть еще угарный газ (СО). Механизм создания инверсной населенности в таком лазере выглядит следующим образом.

272

релаксации верхнего лазерного уровня (4) и увеличивает выходную мощность лазера.

Добавление Не — газа, обладающего высокой теплопроводностью, улучшает также условия теплоотвода из центральной части газового разряда. Определенную роль в увеличении населенности верхних уровней лазерных переходов в лазере С 0 2 играют каскадные переходы

щего элементарную основу для понимания этих процессов, так и при

§ 10.6. Провал Лэмба — Беннета. Исследование стабильности излучения квантовых устройств

Газовый лазер во многом схож с лазером на твердом теле, однако сеть и значительные отличия. Наиболее интересным из них является появление провала на зависимости выходной мощности лазера от ча­ стоты генерации, носящего название «провала Лэмба—Беннета».

Зависимость выходной мощности лазера от частоты генерации по существу повторяет зависимость коэффициента усиления активной среды лазера от частоты. Обычно ее получают при плавной перестрой­ ке частоты резонатора в пределах ширины линии лазерного перехода. Если электромагнитное поле в резонаторе лазера слабое (лазер ра­ ботает вблизи порога самовозбуждения), то зависимость выходной мощности лазера от частоты генерации практически повторяет форму спектральной линии перехода (строго говоря, не всей линии, а только ее части, близкой к вершине). Если же электромагнитное поле в резона­ торе лазера достаточно сильное, то на зависимости выходной мощ­ ности газового лазера от частоты генерации в области вершины спек­ тральной линии перехода появляется узкий провал. Наличие провала показывает, что коэффициент усиления газового лазера в области вер­ шины спектральной линии тоже имеет провал. Это новое качественное явление, характерное только для газовых лазеров, обусловлено двумя факторами: 1) спектральная линия перехода, в газовой среде являет­ ся допплеровски уширенной линией; 2) эффект насыщения.

Рассмотрим газовый лазер, в котором возбужден всего один про­ дольный тип колебаний. Для выяснения причин появления провала

273