Газовые лазеры на ионах аргона

   Из многочисленных переходов между уровнями ионизированных атомов, на которых получена инверсная населенность, практическое применение нашли лазеры на ионизированных газах: кадмия, аргона, азота.

Первый ионный лазером лазер на парах ртути Hg⁺, работающий на длине волны 0,615 мкм, был создан в 1964г. В том же году появились сообщения о генерации на многих линиях ионизированного аргона в импульсном и непрерывном разряде. Было замечено, что усиление в разряде аргона необычно велико по сравнению с гелий-неоновым лазером и иногда достигает ~ 1 м^-1.

В аргоновом лазере генерация происходит при переходах между возбужденными уровнями однократно ионизированного аргона. При работе в непрерывном режиме доминирующими являются линии с длинами волн: 0,4880 и 0,5145 мкм.

Развитие ионных аргоновых лазеров происходило так быстро, что уже в конце 1964 г. были созданы непрерывные лазеры с мощностью 7 Вт. Большим преимуществом ионных аргоновых лазеров является то, что они расширили область генерации из красной и инфракрасной в сине-зеленую область.

 Капиллярная разрядная трубка ионного аргонового лазера с внутренним диаметром 1,5.. 2 мм и длиной ~ 1м должна интенсивно охлаждаться, так как плотность тока в разряде достигает 500 А/см². Такие трубки необходимо изготавливать из специальной керамики (из окиси бериллия BeO или алюминия Al₂O₃), так как кварцевое стекло оказалось недостаточно стойким материалом в случае мощного разряда.

Оказалось, что мощность генерации можно существенно увеличить с с помощью продольного магнитного поля, действующего на канал газового разряда. Магнитное поле создается очень простым способом – с помощью соленоида, навитого на рубашку водяного охлаждения газоразрядной трубки. Оптимальное значение напряженности магнитного поля, зависящее от давления аргона, диаметра капилляра и тока разряда, составляет несколько тысяч А/м.

Магнитное поле концентрирует разряд в центральной части газоразрядной трубки. Это уменьшает диффузию ионов к стенкам трубки и увеличивает число полезных соударений. В результате плазма вблизи оси трубки возбуждается сильнее, чем в периферийных областях.

 

Рис. а. Зависимость выходной мощности ионного аргонового лазера от силы тока разряда, б. Примерная зависимость относительной мощности генерации аргонового лазера от напряженности осевого магнитного поля.

 

    

Рис. Структура энергетических уровней иона аргона с указанием лазерных переходов.

 

На рис. показаны основные переходы иона Ar II, играющие роль в создании инверсной населенности в аргоновом лазере. Каждый уровень характеризуется определенной электронной конфигурацией, определяемой главным и орбитальным квантовыми числами. Например, 3p⁴4s обозначает электронную конфигурацию, в которой четыре электрона в состоянии с n = 4 и l = 0 и один электрон в состоянии с n = 4 и l = 0.

Термин «уровень» в данном случае обозначает несколько энергетических уровней иона. На рабочем переходе 4p ® 4s излучаются 10 линий, длины волн которых указаны на рисунке. Наиболее интенсивна голубая линия с длиной волны 4880 Å с относительной интенсивностью 45% и зеленая линия 5145 Å (35%). Инверсная населенность возникает за счет того, что в газовом разряде время релаксации нижних лазерных уровней значительно меньше времени релаксации верхних уровней.

 

Гелий-кадмиевый лазер

 

После получения генерации на смеси кадмия II и гелия l = 4416 мкм в непрерывном режиме с низким порогом возбуждения этот лазер приобрел практическое значение. Этот интерес еще более возрос после получения на этой смеси газов непрерывной генерации в УФ диапазоне с l = 0,325 мкм.

     Оптимальные условия генерации гелий-кадмиевого лазера: трубка диаметром 2,4 мм; давление гелия 3,4 мм рт.ст.; давление паров кадмия

 2 10^-3 мм рт.ст.; ток разряда 110 мА, длина газоразрядной трубки 140 см; выходная мощность лазера 200 мВт (на l = 0,4416 мкм). При оптимальных значениях тока и напряжения потребляемая мощность составляет 3 Вт/см³, удельная мощность генерации – 30 мВт/см³.

Выходная мощность гелий-кадмиевого лазера на l = 0,325 мкм составляет около 10% от мощности, излучаемой на l = 0,4416 мкм.

 

Рис. Разрядная трубка гелий-кадмиевого лазера.

 

Концентрация ионов металла в газовом разряде значительно меньше концентрации атомов гелия. При возбуждении ионов кадмия главную роль играют столкновения и атомами гелия, находящимися в возбужденном метастабильном состоянии.

 

Эксимерные лазеры

     Атомы инертных газов не вступают в химические взаимодействия и не образуют устойчивых молекул. Однако в возбужденном состоянии атомы инертных газов вступают в соединение с галогенами или кислородом образуя двухатомные молекулы - димеры. Термином эксимер (eximer) называют димер в возбужденном электронном состоянии. Этот термин сокращение выражения: exited dimer. В устойчивом стационарном состоянии эксимеры не существуют, время жизни эксимерной молекулы ограничено ее быстрым радиационным распадом.

Возможность создания эксимерного лазера обусловлена особенностью кривой потенциальной энергии основного и возбужденного состояний квазимолекулы, образующейся при сближении атомов благородных газов. Зависимость потенциальной энергии двухатомной системы является спадающей функцией, что отвечает отталкиванию ядер.

     Зависимость потенциальной энергии взаимодействия атомов эксимерной молекулы от расстояния между ядрами атомов показано на рис. 11..

 

 

Рис. 11. Зависимость энергии димерной молекулы от расстояния между составляющими ее атомами. Верхняя кривая относится к эксимеру, играющего роль верхнего лазерного уровня. Нижняя кривая – для нижнего лазерного уровня, который соответствует разлету атомов эксимера. Стрелка указывает значение энергии кванта, испускаемого в центре линии усиления.

 

           

 Для возбужденного электронного состояния, являющегося верхним уровнем лазерного перехода, такая зависимость имеет минимум. Это означает возможность существования эксимерной молекулы. Однако такая молекула быстро в течение десятков наносекунд распадается за счет спонтанного излучательного перехода в нижнее состояние.

 Газ, содержащий эксимерные молекулы даже невысокой концентрации, является активной, усиливающей свет средой. Такая среда сохраняет способность усиливать свет в течение промежутков времени, значительно превышающих время обхода светом лазерного резонатора, что выгодно отличает эксимерные лазеры от газовых лазеров на самоограниченных переходах.

Поэтому на активной среде, содержащей эксимерные молекулы, может быть создан лазер не только на сверхизлучении, возникающем в результате однократного прохода светом активной среды (как в случае азотного и водородного лазеров), но и классического типа, в котором генерируемое излучение циркулирует между зеркалами резонатора на протяжении длительности импульса накачки.

Нижнее состояние лазерного переходы быстро опустошается в результате разлета атомов эксимерной молекулы за характерное время ~ 10^-12 c. Поэтому населенность нижнего лазерного уровня практически близка к нулю. В результате между верхним и нижним состояниями возникает инверсия населенностей.

     Длина волны излучения эксимерных лазеров лежит в видимой или ультрафиолетовой области спектра. Создание эксимерных лазеров в физике лазеров означало прорыв в ультрафиолетовый диапазон. Их открытие является в лазерной технике важным событием такого же значения, как появление мощных непрерывных лазеров на углекислом газе.

Значения параметров лазерных переходов для наиболее распространенных эксимерных лазеров представлены в таблице.

 

 

Таблица 11.1. Параметры излучения эксимерных лазеров

      

Из таблицы видно, что ширина линии усиления эксимерных лазеров относительно велика. Это связано с малыми временем жизни нижнего лазерного уровня. В нижнем лазерном состоянии не существует четко выраженных вращательно-колебательных состояний. Поэтому генерационный переход является широкополосным и не имеет структуры. Это обуславливает важное преимущество эксимерных лазеров. Эксимерный лазер с селективным резонатором позволяет получать плавно перестраиваемое по частоте излучение в пределах ширины линии усиления.

     Оптимальные условия создания активной среды лазера соответствуют наиболее благоприятным условиям образования эксимерных молекул.

Интенсивное образование димерных молекул аргона, криптона или ксенона происходит в результате тройных столкновений с участием возбужденных атомов. Поэтому оптимальное давление газа высокое и составляет 20.. 30 атм. При столь высоких давлениях возбуждение электрического разряда затруднительно. Наиболее эффективный способ накачки – пропускание через газ пучка быстрых электронов. Электроны теряют энергию преимущественно на ионизацию атомов газа. Атомные ионы при столкновении образуют молекулярные ионы, которые, в свою очередь, рекомбинируют с электронами образуя эксимерные молекулы. Молекулы эксимера Xe₂* образуются в результате реакций:

 

Xe* + 2Xe ® Xe₂* + Xe;

Xe⁺ + 2 Xe ® Xe₂⁺ + Xe;

Xe₂⁺ + e ® 2 Xe* + e.

 

     Эффективность преобразования энергии пучка электронов в энергию лазерного излучения составляет около 1%. При создании лазер на эксимерах благородных газов необходимо выполнить жесткие требования к характеристикам электронного ускорителя, используемого в качестве устройства накачки. Высокое давление, широкая линия усиления и малое время жизни возбужденных состояний приводят к высоким требованиям к мощности накачки. Энергия пучка электронов должна превышать 0,2 Дж/см³ за время ~10^-9 секунды.

     Существенно более благоприятные условия возникают при создании эксимерных лазеров на моногалогенидах инертных газов. Молекулы такого типа образуются при парных соударениях ионов инертного газа с атомом галогена. Поэтому указанный процесс происходит при более низких давлениях порядка атмосферного. При этом техническая проблема возбуждения газа облегчается. Для возбуждения лазера применяют пучок быстрых электронов или импульсный или высокочастотный электрический разряд. Активная среда эксимерного лазера на моногалогенидах состоит из одного или нескольких инертных газов при давлении порядка атмосферного и некоторого количества (~ 10^-2 атм.) галогенсодержащих молекул.

 В качестве буферного газа используют аргон или гелий. Буферный газ при возбуждении электронным пучком служит для размножения электронов и преобразования их высокой исходной энергии в энергию, соответствующую эффективному возбуждению димерных молекул. При газоразрядном возбуждении буферный газ обеспечивает быстрое развитие разряда и достижение необходимой высокой объемной концентрации электронов n_e ~ 10¹⁴ см^-3.

Электронная оболочка атома инертного газа в возбужденном электронном состоянии похожа на оболочку атома щелочного металла, следующего за этим газом в таблице Менделеева. Этот атом легко ионизуется, так как энергия связи возбужденного электрона мала. При столкновении галогена с возбужденным атомом благородного газа возбужденный электрон легко переходит на новую орбиталь, объединяющую атомы в молекулу. Такую реакцию назвали гарпунной. Гарпунный процесс настолько эффективен, что он реализуется не при тройных, а и при двойных столкновениях, причем, не только с атомами, но и молекулами галогена, например:

Xe* + Cl₂ ® XeCl* + Cl.

Существенную роль в образовании эксимера играет также реакция с участием иона инертного газа, например:

Xe⁺ + Cl₂ + e ® XeCl* + Cl.

Так как молекулы галогенов химически чрезвычайно активны и ядовиты, практически важно в активной среде использовать не чистые галогены, а их соединения. К счастью, реакции образования эксимеров идут и в тех случаях, когда в качестве галогеноносителя используются фреоны или молекулы NF₃, SF₆, BF₃. Активная газовая среда состоит из смеси с парциальными давлениями: аргона или гелия - 1,5 атм, инертного газа - десятые доли атм и галогена или галогеноносителя - сотые доли атм.

При использовании пучка быстрых электронов выходная энергия импульсного излучения эксимерного лазера может достигать тысячи Джоулей при кпд на уровне нескольких процентов. Имеются сообщения о проекте системы на основе эксимерных лазеров и усилителей на KrF, предназначенной для исследований по лазерному термоядерному синтезу. Предполагается достичь энергия излучения в импульсе до 100 кДж при длительности импульса 1 нс.

 Применение электрического разряда позволяет получать высокие частоты повторения импульсов накачки (до нескольких килоГерц), тогда как ускоритель электронов работает на частотах повторения импульсов не более Герца.    

     Наиболее распространенный тип эксимерного лазера использует активную среду XeCl. Средняя выходная мощность такого лазера может достигать 1 кВт.

     Высокое значение ширины спектральной линии усиления эксимерных лазеров при энергетической эффективности в несколько процентов открывает возможность создания лазеров видимого и УФ диапазонов с плавной перестройкой длины волны излучения.

 

XII. Лазеры на свободных электронах

     В лазерах на свободных электронах в качестве активной среды используют поток электронов. Электроны, движущиеся с релятивистской скоростью и колеблющиеся под действием внешних магнитных или электрических полей излучают свет в направлении, близком к направлению вектора скорости электронов. Идея использования ускоренно движущихся электронов для генерирования электромагнитных волн была реализована в электронных лампах СВЧ диапазона: клистронах, магнетронах, лампах бегущей волны. В лазерах на свободных электронах для получения света видимого диапазона энергия движущихся электронов должна находиться в области гигаэлектронвольт. То есть для создания лазера на свободных электронах необходим большой ускоритель электронов. Этим и объясняется тот факт, что лазеры на свободных электронах – уникальные устройства, созданные в единичных экземплярах.

     В наиболее коротковолновых лазерах колебательное движение электронам сообщается пространственно-периодическим статическим полем ондулятора.

 

Рис. 11. Схема ондулятора со знакопеременным магнитным полем. Траектория электронов лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку.

 

В ондуляторе среднее за период колебания электронов значение силы равно нулю. Электроны в ондуляторе можно считать возбужденными осцилляторами, движущимися равномерно и прямолинейно.

     Лазер на свободных электронах состоит из ускорителя, ондулятора и лазерного резонатора. Пучок электронов в ондуляторе испускает вынужденное излучение. Электроны пучка попадают как в тормозящие, так и в ускоряющие фазы продольной моды резонатора. Поэтому электроны начинают двигаться с разными скоростями и группироваться в сгустки. Если начальная энергия пучка выше некоторой равновесной энергии, то они группируются в тормозящих фазах волны, отдают ей свою энергию и поэтому усиливают ее.

     Одиночный электрон, пройдя через ондулятор, испускает цуг электромагнитных волн, длительность Dt которого зависит от угла между скоростью частицы v и направлением наблюдения q.

 

где K – число периодов ондулятора.

     Испущенный электроном цуг содержит K периодов и, следовательно, круговая частота основной гармоники излучения w = 2pK/Dt. В общем случае цуги волн на интервале Dt не гармонические. Поэтому излучение содержит гармоники, кратные основной частоте.

     Частота основной гармоники определяется формулой:

 

.

Основная часть энергии, испускаемой релятивистским электроном, сосредоточена вблизи направления его движения. Для l₀ = 1 см частота колебаний электрона составляет ~ 30 МГц. Поэтому для получения электромагнитного излучения оптического диапазона (w ~ 10¹⁵ Гц) знаменатель приведенного соотношения должен быть очень малым, то есть скорость электронов должна быть ультрарелятивистской и отличаться от скорости света в седьмом.. восьмом знаке. Это обстоятельство имеет и положительную сторону, так как решает вопрос синхронизации скоростей движения электронов и световой волны без использования специальных замедляющих свет устройств.

Энергия релятивистского электрона равна:

.

Таким образом, энергия электронов в пучке накачки для лазера ультрафиолетового диапазона должна лежать в диапазоне гигаэлектронвольт.

     Лазеры на свободных электронов обладают важным преимуществом – возможностью плавно перестраивать частоту излучения путем изменения энергии частиц пучка.

     Обычно длина периода траектории электрона в ондуляторе ~ 1 см. Поперечные размеры пучка ~ 1 мм. Режим лазерной генерации достигается помещением ондулятора в резонатор, позволяющий осуществить обратную связь между излучением и излучающей системой. Первый лазер на свободных электронах работал в ИК диапазоне и был построен на основе Стэнфордского линейного ускорителя электронов в 1976 г. [2]

 

Литература к гл.11

1. Javan F., Bennett W.R., Herriot D.R. Phys. Rev. Lett. 6, 103 (1961).

2.