Оптимальные параметры гелий-неоновых лазеров

Сечения передачи энергии возбуждения при столкновениях

метастабильного атома гелия с атомом неона при T = 300 K

Таким образом, использование буферного газа — гелия — позволяет осуществить селективное заселение только 2s и 3s состояний неона. Так как время жизни этих состояний приблизительно на порядок больше времени жизни 2p и 3p (t_2s2» 1,5 × 10^–7 с, t_3s2» 2 × 10^–7 с, t_2p4» 1,5 × 10^–8 с), то между {2s, 3s} и {2p, 3p} состояниями неона образуется инверсная заселенность.

Основные переходы:

3s₂ ® 2p₄ [0,6328 мкм],

2s₂ ® 2р₄ [1,1523 мкм],

3s₂ ® 3p₄ [3,3913 мкм].

С уровней 3p₄ и 2p₄ атомы спонтанно переходят на метастабильный уровень 1s.

Последний освобождается только за счет соударений атомов со стенками (диффузия к стенкам), если в газовой смеси нет иных примесей.

Таблица 2

Оптимальные параметры гелий-неоновых лазеров

Мощность генерации лазера на смеси He–Ne зависит от величины разрядного тока, общего давления газовой смеси, соотношения между компонентами газовой смеси, диаметра газоразрядной трубки (табл. 2). Качественно зависимости мощности от перечисленных параметров одинаковы для всех трех лазерных переходов (1.15, 3.39, 0.63 мкм) и могут быть пояснены следующим образом.

Мощность генерации лазера на смеси He–Ne с увеличением разрядного тока сначала растет, но при очень больших величинах разрядного тока падает. Повышение мощности объясняется тем, что с увеличением тока растет плотность электронов в плазме газового разряда и, следовательно, увеличивается число возбужденных атомов Ne в состояниях 2s и 3s за счет процессов, связанных с прямым электронным возбуждением. При больших плотностях тока начинает играть роль ступенчатое возбуждение уровней 3p и 2p, т. е. нижних уровней рабочих переходов. Скорость возбуждения этих уровней примерно пропорциональна квадрату концентрации электронов, а скорость прямого электронного возбуждения верхних рабочих уровней примерно линейно зависит от концентрации электронов. В результате при больших величинах разрядного тока инверсная населенность рабочих переходов снижается и мощность генерации падает.

Зависимость выходной мощности лазера от общего давления газовой смеси также связана с двумя факторами. Сначала с повышением общего давления газовой смеси растет общее число атомов He и Ne и, следовательно, число возбужденных состояний атома Ne. Поэтому при малых общих давлениях газовой смеси мощность генерации увеличивается с ростом давления смеси. Но затем начинает играть роль другой фактор – уменьшение эффективной электронной температуры в плазме газового разряда с ростом общего давления газовой смеси. Уменьшение эффективной электронной температуры ведет к резкому уменьшению числа электронов, участвующих в создании инверсной заселенности. В результате мощность генерации при больших величинах общего давления газовой смеси падает.

Мощность генерации лазера на смеси He–Ne существенно зависит также от парциальных давлений He и Ne в газовой смеси, ибо в создании инверсии населенностей рабочих уровней большое значение имеет процесс передачи возбуждений от атома He к атому Ne. Чем больше парциальное давление He, тем более вероятен такой процесс. Однако слишком большое парциальное давление He в газовой смеси допускать нельзя, т. к. это связано с увеличением общего давления газовой смеси и, следовательно, с уменьшением электронной температуры газоразрядной плазмы и инверсии населенности рабочих уровней. Оптимальное соотношение парциальных давлений Ne и He находится в пределах от 1:5 до 1:15.

Рассмотрим влияние диаметра газоразрядной трубки на мощность генерации. Здесь также имеются два фактора, действующие в противоположных направлениях. С одной стороны, увеличение диаметра трубки увеличивает объем газовой смеси (при неизменном давлении), что приводит к росту мощности генерации. С другой стороны, увеличение диаметра трубки уменьшает электронную температуру в плазме разряда, что должно приводить к уменьшению инверсии населенностей рабочих уровней и, следовательно, к уменьшению мощности лазера. Существует некоторый оптимальный диаметр газоразрядной трубки, при котором мощность лазера на He–Ne максимальна. Для газоразрядной трубки длиной 1 м оптимальный диаметр составляет 7¸9 мм.

В заключение отметим, что мощности, достигнутые в настоящее время в лазере на смеси He–Ne, невелики: 0.1 Вт – для излучения с длиной волны l = 1.15 мкм и 1 Вт – для излучения с длиной волны l = 0.63 мкм.

Типовые значения выходных параметров гелий-неоновых лазеров в оптимальном режиме приведены в табл. 3.

Таблица 3