Аргоновый лазер (стр. 1 из 2)

Введение

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы). В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножение одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем не возбуждённых, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходит также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбуждённое состояние и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г. Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная населённость уровней (в верхнем возбуждённом состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.

На возможность давления света в среде с инверсной населённостью за счёт вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А.Фабрикант, предложивший создать инверсную населённость в электрическом разряде в газе. При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своём направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населённостью можно было использовать, для генерации лазерного луча, т.е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо снимать инверсную населённость с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же направленностью излучения и одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света. Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населённостью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением «вбок» можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.

Создано множество разнообразных типов лазеров, работающих в различных режимах. Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид либо непрерывного светового потока, либо регулярной последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных импульсов может быть очень высокой – до 107 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент отдельными импульсами) могут излучать «гигантские импульсы» (длительность импульса 10-8 с, интенсивность импульса в максимуме до 106 кВт), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10-12 с, интенсивность в максимуме до 109 кВт). В качестве активных элементов лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовых активных сред используется электрический разряд в газе.

1. Уровни энергии для лазера на ионах аргона

аргоновый лазер фотон ионный

Активную 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.

Рис. 1 Схема уровней энергии однократно ионизированного аргона, относящихся к работе аргонового ионного лазера.

Основное состояние иона Аr+ получается путем удаления одного из шести 3р-электронов внешней оболочки аргона. Возбужденные состояния 4s и 4р возникают, когда один из оставшихся 3р-электронов забрасывается на уровни соответственно 4s и 4p. С учетом взаимодействия с остальными 3р-электронами оба уровня 4s и 4р состоят из нескольких уровней. Возбуждение верхнего лазерного 4р-уровня происходит посредством двухступенчатого процесса, включающего в себя столкновения с двумя различными электронами. При первом столкновении аргон ионизируется, т.е. переходит в основное состояние иона Аr. Находящийся в основном состоянии ион Аr+ испытывает второе столкновение с электроном, что может привести к следующим трем различным процессам: 1) непосредственное возбуждение иона Аr+ на 4р-уровень; 2) возбуждение в более высоко лежащие состояния с последующими каскадными излучательными переходами на уровень 4р; 3) возбуждение на метастабильные уровни с последующим третьим столкновением с электроном, приводящим к возбуждению на 4р-уровень. Поскольку процессы 1 и 2 включают в себя два этапа, связанных со столкновениями с электронами, следует ожидать, что скорость накачки в верхнее состояние будет пропорциональна квадрату плотности тока разряда. Действительно, скорость накачки верхнего состояния (dN2/dt)pдолжна иметь вид (dN2/dt)p~NeNt~N2e,где Neи Nt– плотности электронов и ионов в плазме (Ne ≈ Niв плазме положительного столба). Так как электрическое поле в разряде не зависит от разрядного тока, плотность электронов Neпропорциональна плотности разрядного тока и из предыдущего выражения следует, что (dN2/dt)p~ J2. Можно показать, что при высоких плотностях тока рассмотренный выше процесс 3 также приводит к тому, что скорость накачки пропорциональна J2. Таким образом, накачка резко возрастает с увеличением плотности тока и для того, чтобы рассмотренный выше малоэффективный двухступенчатый процесс позволил закачать достаточно ионов в верхнее состояние, необходимы высокие плотности тока (~ 1 кА/см2). Этим можно объяснить, почему первый запуск Аr+-лазера произошел спустя около 3-х лет после запуска Не-Ne-лазера. Ион Аr+, будучи заброшен на верхний лазерный уровень 4р, может релаксировать на уровень 4s посредством быстрой (~ 10-8 с) излучательной релаксации. Однако следует заметить, что релаксация из нижнего лазерного 4s-уровня в основное состояние Аr+ происходит за время, которое примерно в 10 раз короче. Таким образом, условие непрерывной генерации выполняется.

Из сказанного выше следует, что 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 (λ = 514,5 нм) и синяя (λ = 488 нм). Из измерений спектра спонтанного излучения было найдено, что доплеровская ширина линии Δυ*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).