11.1. Накачка газовых активных сред

11.1.1. Электрический разряд в газовой среде

Наиболее общий метод возбуждения в газовых лазерах – непрерывный или импульсный электрический разряд. Разряд поддерживается в газоразрядной трубке из кварцевого стекла или керамики, заполненной газовой активной средой. Инверсная населенность уровней и усиление в газовой среде возникают в электрическом разряде в процессах соударений атомов, молекул и электронов и последующей релаксации возбужденных состояний.

В некоторых особых случаях для накачки газовых активных сред применяют химическое возбуждение, газодинамические процессы и накачку оптическим излучением или пучком электронов.

В газовых активных средах обычно реализуется наиболее эффективная четырехуровневая схема накачки. В такой схеме нижний лазерный уровень должен иметь малое время жизни по сравнению с верхним.

Существуют газовые активные среды, для которых это условие не выполняется. Это лазеры на самоограниченных переходах, в которых нижний лазерный уровень - долгоживущий. В таких средах значительное усиление возникает лишь на короткое время после начала разряда. Поэтому их необходимо возбуждать коротким импульсным электрическим разрядом.

Наиболее распространенный способ накачки – тлеющий разряд. Тлеющим разрядом называют самостоятельный разряд, в котором катод испускает электроны вследствие бомбардировки его положительными ионами и фотонами, образующимися в газе.

Схема устройства для исследования тлеющего разряда в воздухе показана на рис. 11.1.а. Из-за большого различия в массах электронов и положительных ионов потенциал электрического поля вдоль разрядной трубки с тлеющим разрядом изменяется неравномерно. Большое падение потенциала происходит вблизи катода. В основной части разряда – положительном столбе падение напряжения невелико.

При атмосферном давлении и приложенном к электродам постоянном напряжении в несколько киловольт тлеющий разряд в газоразрядной трубке не возникает.

Однако, если давление газа в трубке длиной 30 … 50 см, уменьшить до 2…3 мм рт. ст., то тлеющий разряд возникает. Для зажигания непрерывного тлеющего разряда на электроды трубки, к которым приложено постоянное напряжение, подают высоковольтный поджигающий электрический импульс. Схематический вид газоразрядной трубки показан на рис. 11.1,б. На этом же рисунке приведено распределение электрического потенциала в разряде.

Внутри работающей газоразрядной трубки можно выделить несколько областей. Непосредственно вблизи катода существует темное пространство 1, где энергия электронов, исходящих из катода, недостаточна для возбуждения атомов и молекул газа. Тонкая светящаяся полоска 2 связана с возбуждением атомов и молекул газа без их ионизации. В области 3 начинается ионизация атомов и молекул. Свечение в области 4 называют тлеющим. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. В область 5 электроны, испускаемые катодом, уже не долетают, поэтому здесь существует так называемое фарадеево темное пространство. Перечисленные выше пять областей называют катодными частями разряда.

Область 6 представляет собой остов разряда – положительный столб разряда. Для положительного столба разряда характерна относительно высокая степень ионизации газа и, связанная с ней высокая проводимость. Эту область и используют в лазерах в качестве активной среды. Плотность тока в тлеющем разряде составляет ~ 10^-3 … 10^-1 А/см². Концентрация активных частиц равна 10⁹ … 10¹¹. Степень ионизации газа, составляет менее сотых долей процента.

Получение инверсной населенности между энергетическими уровнями газа, состоящего из атомов или молекул одного сорта, в газовом разряде обычно трудно достижимо. Для получения усиления в газовой среде, как правило, используют смеси различных газов. В разряде возбуждаются частицы специально подобранного буферного газа, которые передают энергию возбуждения генерирующим активным частицам. Для эффективной резонансной передачи энергии спектральные контуры возбужденного состояния донорного газа и активных частиц должны перекрываться. Роль буферного газа заключается также в снижении концентрационного тушения люминесценции лазерного перехода.

Буферный газ понижает температуру газовой смеси и уменьшает постоянную времени нижнего лазерного уровня. Естественно, при создании лазера соотношение газов в смеси, длину и диаметр газоразрядной трубки оптимизируют для получения максимальной мощности и эффективности генерации.

Рис. 11.1. Схема газоразрядной трубки. Распределение электрического напряжения вдоль трубки в случае тлеющего разряда.

Стационарный тлеющий разряд можно возбуждать также переменным током с частотой 10 … 50 Мгц. В этом случае электроды находятся вне газоразрядной трубки, а поджигать разряд высоковольтным импульсом не требуется.

По типу активных частиц газоразрядные лазеры разделяют на три класса: лазеры на нейтральных атомах, на ионах и молекулярные лазеры.

Возбуждение ионных лазеров осуществляют в дуговым разряде. Дуговой разряд происходит при плотностях тока в сотни А/см² и при относительно низких рабочих напряжениях 10… 100 В. Степень ионизации газа в дуговом разряде сравнительно высокая – более процента.

Для получения лазерной генерации на переходах нейтральных атомов широко применяют импульсный электрический разряд. В результате лавинной ионизации в импульсном разряде плотность тока может достигать тысяч А/см². По окончании импульсного разряда происходят рекомбинационные процессы, происходящие с участием долгоживущих ионов и возбужденных атомов, и термолизация электронов. Эти процессы приводят к импульсной генерации в условиях высокого коэффициента усиления, которая однако быстро прекращается из за насыщения усиления вследствие заполнения нижнего лазерного уровня в процессе генерации. Импульсный разряд с крутым передним фронтом применяют для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах. Для получения усиления длительность фронта разряда должна быть соизмерима с излучательным временем жизни верхнего лазерного уровня, которое обычно находиться в наносекундном временном диапазоне.

Существенный недостаток почти всех газовых лазеров – сравнительно низкая эффективность возбуждения, составляющая единицы или доли процента от вложенной электрической энергии. Исключение составляют лазеры на двуокиси углерода, кпд которых достигает 20%. Сравнительно высокая эффективность этих лазеров обусловлена тем, что инверсная населенность создается между колебательными уровнями молекул СО₂, находящихся в основном состоянии, и возбуждать более высоко лежащие уровни не требуется.