1.7. Ионные лазеры (Ar-лазер)

Получение генерации возможно не только при переходах между уровнями нейтральных атомов, но и ионов. В настоящее время получена генерация на переходах между уровнями ионов более 30 химических элементов. Наибольшее распространение среди ионных лазеров получил аргоновый лазер, использующий переходы между электронными состояниями иона Ar+, отвечающие видимой области спектра ( = 0,455 — 0,515 мкм).

Полное число уровней и процессов, участвующих в создании инверсной заселенности в ионе Ar+, весьма велико. Поэтому рассмотрим принцип работы аргонового лазера с помощью упрощенной схемы (рис. 37), уровни Зp и Зр 4s которой включают в себя все уровни конфигураций 4р и 4s. Возбуждение верхних лазерных уровней Аr+ происходит в газовом разряде ступенчато в результате двух столкновений атомов с электронами. Первое столкновение ионизирует атом, второе — возбуждает его:

Аг + е Аг (Зр ) +2е, (1.49)

Аr (Зр ) + е Аг (3p 4p)+е,

Радиационное время жизни верхних лазерных уровней (~10 с) существенно больше, чем нижних (~10 с). Именно это обстоятельство и позволяет создать стационарную инверсию между целым рядом уровней указанных конфигураций.

Образование возбужденных ионов происходит при столкновении электронов с ионами в основном состоянии. Поэтому плотность частиц на верхнем лазерном уровне

N = k n n =z; = k n ~j (1.50)

где k — константа возбуждения; , — радиационное время жизни верхнего лазерного уровня. Вблизи порога мощность генерации W~K ~N ~j . Точный расчет с учетом конкретных констант процессов дает следующую взаимосвязь удельной объемной мощности излучения W/V (Вт/см ) с плотностью тока j(А/см ):

W/V=10 j (1.51)

Такой характер зависимости мощности излучения от тока имеет место лишь в случае отсутствия полной ионизации газа. При оптимальных значениях давления газа 0,5 торр и диаметрах разрядных трубок 0,1-1 см величина W/V может достигать значения 1-10 Втlсм . Хотя в литературе описаны образцы с мощностью излучения до 150Вт, мощность промышленных Ar-лазеров, как правило, не превьппает десятков Вт. При квантовом КПД 7% полный КПД Ar-лазеров не превышает обычно 0,1%.

Как видно из рис. 37, высокие удельные параметры Ar-лазера возможны лишь при высоких плотностях токов, т. е. при использовании дуговых разрядов. Это обстоятельство сказывается на конструкции ионных лазеров. Для обеспечения однородного сильноточного разряда разрядную трубку приходится делать в виде достаточного тонкого капилляра. Иногда для достижения максимальной концентрации заряженных частиц разрядный капилляр помещают в продольное магнитное поле. Ряд проблем возникает в Ar-лазерах из-за эффекта переноса ионов Ar от анода к катоду. В результате этого вдоль разрядной трубки образуются большие градиенты давления и для ликвидации их приэлектродные области разряда приходится соединять длинной обводной трубкой, по которой газ возвращается обратно в прианодную зону. Однако основная проблема создания мощных Ar-лазеров заключается в преодолении высоких тепловых нагрузок. Для получения излучения мощностью 10 Вт необходимо подвести к трубке 10 кВт электрической энергии. Температура ионов в разряде составляет при этом 3000 К. Это приводит к серьезному усложнению конструкции и сокращению ресурсных характеристик ионных лазеров.

Несмотря на ограниченную мощность, излучение Ar-лазера можно сфокусировать в пятно с плотностью мощности Вт/см . Это позволяет с успехом использовать их в промышленности, в частности для скрайбирования тонких пленок в микросхемах. Широкое применение Ar-лазер находит также в медицине и научных исследованиях.

Среди других наиболее интересных для практических целей ионных лазеров необходимо назвать криптоновый лазер, излучающий мощность ~100мВт в красном и желтом участках видимого спектра, а также гелий-кадмиевый лазер, линии излучения которого 0,417 и 0,325 мкм лежат в видимой и ультрафиолетовой частях спектра. Эти лазеры в основном представляют интерес для научных исследований, а также для биологии и медицины.