28. Ионные газовые лазеры. Схема энергетических состояний и механизм получения инверсии в ионизированном аргоне

28.Ионные газовые лазеры.Схема энергетических состояний и механизм получения инверсии в ионизированном аргоне.

мощные непрерывные лазеры в видимой области спектра с выходной мощностью 0,5-20 Вт. Они генерируют лазерное излучение на многочисленных длинах волн от УФ- до ближней ИК-области спектра. КПД ионных лазеров достигает примерно 0,1 %. Большое значение имеют ионный аргоновый лазер, ионный криптоновый лазер, а также лазер на смеси газов с аргоновым и криптоновым наполнением. Эти лазеры применяются в качестве источника света накачки для лазеров на красителях, в голографии, измерительной технике, при обработке данных и записи в память, телевизионной технике (дисплей), диагностике плазмы, в медицине и обработке материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка и др.).
Ак тивную среду ионных лазеров в общем случае образует плазма тлеющего разряда с высокой плотностью тока. В наиболее обычных типах ионных лазеров для практических целей используются ионы инертных газов, чаще всего аргона. Упрощенная схема уровней энергии для лазера на ионах аргона приведена на рис. 1 с указанием некоторых наиболее важных лазерных переходов. Полная схема уровней энергии сложна и включает еще многие другие уровни и другие лазерные переходы, не показанные на рисунке. Наиболее интенсивные переходы имеют длины волн 0,4880 и 0,5145 мкм. Эти уровни являются уровнями иона аргона, так что для работы аргонового лазера атомы должны быть предварительно однократно ионизированы. Основным состоянием в этой схеме является основное состояние иона аргона, которое расположено выше основного состояния нейтрального атома аргона почти на 16 эВ. Кроме того, верхние лазерные уровни лежат примерно на 20 эВ выше основного ионного состояния. Отсюда следует, что нейтральному атому аргона должно быть передано значительное количество энергии для того, чтобы перевести его на верхний лазерный уровень иона аргона.
Генерацию в аргоновом лазере следует ожидать на переходе 4p?4s. Так как оба уровня 4s и 4р на самом деле состоят из многих подуровней, аргоновый лазер может генерировать на многих линиях, среди которых наиболее интенсивными являются зеленая (? = 514,5 нм) и синяя (? = 488 нм). Из измерений спектра спонтанного излучения было найдено, что доплеровская ширина линии ??*0, например зеленого перехода, составляет около 3500 МГц. Это означает, что температура ионов равна Т? 3000 К. Иными словами, ионы являются очень горячими благодаря их ускорению в электрическом поле разряда. Относительно широкая доплеровская ширина линии также приводит к тому, что в режиме синхронизации мод в аргоновом лазере наблюдаются сравнительно короткие импульсы (~ 150 пс).
Инверсия населенностей между верхним (Е4) и нижним (Е3) рабочими уровнями создается следующим образом (рис. 2). Уровень Е4, имеющий по сравнению с уровнем Е3 большее время жизни, заселяется ионами аргона за счет их столкновений с быстрыми электронами в газовом разряде и за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней Е5. В то же время уровень Е3, обладающий очень коротким временем жизни (примерно в 25 раз меньше, чем время жизни уровня Е4), быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни Е3 и Е4 состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,53 мкм.
Рис,2 Диаграмма энергетических уровней ионизированного аргона: 1 - возбуждение при столкновениях с электронами; 2 - лазерное излучение с длиной волны 0,45 мкм; 3 - спонтанные переходы.