Инверсия населенностей в плазме газового разряда

В плазме газового разряда все частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, но и имеется дрейф заряженных частиц в направлениях расположения электродов. В процессе хаотического движения частиц возможны как упругие, так и неупругие соударения частиц газа.

Перевод атомов (ионов) в плазме газового разряда в возбужденные состояния происходит в результате неупругих соударений. Возможны следующие процессы передачи энергии при таких столкновениях:

а) Прямое электронное возбуждение.

Быстрый электрон сталкивается с атомом (с ионом), находящимся в основном состоянии, передает ему часть своей кинетической энергии, в результате чего атом переходит в возбужденное состояние. Схема этого процесса записывается в виде: е^* + А Þ е + А^* , где обозначены
е – электрон; е^* - быстрый электрон; А и А^* - атом в основном и возбужденном состоянии.

б) Ступенчатое электронное возбуждение или соударения 1-го рода.

При таком механизме возбуждения электрон при столкновении с возбужденным атомом (ионом) передает ему свою энергию и, тем самым, переводит его на более высокий энергетический уровень. Схема процесса передачи энергии в данном случае записывается как: е^* + А^* Þ е + А^** . Столкновение 1-го рода приводит к преобразованию кинетической энергии электрона в потенциальную энергию атома.

в) Резонансная передача энергии или соударения 2-го рода.

В газовой смеси при соударении возбужденного атома одного газа с атомом другого газа, находящегося в невозбужденном состоянии, возможна резонансная передача энергии от первого атома ко второму атому. Схема реализации этого процесса: А^*+ВÞ А+В^*, где А, В, В^* и А^* - атомы в основном и возбужденном состоянии.

Рис3.3. Схема реализации резонансной передачи энергии.

Необходимыми условиями для реализации данного процесса является:

- близкое расположение уровней сталкивающихся атомов ( Е=Е_А-Е_В принимает минимальное значение);

- концентрация атомов А много больше концентрации атомов В (n_А>>n_В);

- возбужденный уровень атома А должен быть метастабильным (большое время жизни).

Атом, находящийся в возбужденном состоянии, может перейти на более низкие энергетические уровни, включая основной, благодаря следующим четырем процессам:

1) столкновениям возбужденного атома с электроном, при котором атом отдает свою энергию электрону;

2) столкновениям между атомами в газовой смеси, состоящей более чем из одной компоненты;

3) столкновениям атома со стенками газоразрядной трубки;

4) спонтанному излучению.

3.3 Гелий – неоновый лазер

Самым распространенным газовым лазером является гелий-неоновый (He-Ne) лазер (лазер на нейтральных атомах), который работает на смеси гелия и неона в соотношении 10:1. Этот лазер также является первым лазером непрерывного действия.

Рассмотрим энергетическую схему уровней гелия и неона (рис.3.4). Генерация происходит между уровнями неона, а гелий добавляется для осуществления процесса накачки. Как видно из рисунка, уровни 2³S₁ и 2¹S₀ гелия расположены, соответственно, близко к уровням 2s и 3s неона. Поскольку уровни гелия 2³S₁ и 2¹S₀ являются метастабильными, то при столкновении метастабильных возбужденных атомов гелия с атомами неона, произойдет резонансная передача энергии к атомам неона (соударения второго рода).

Таким образом, уровни 2s и 3s неона могут заселяться и, следовательно, с этих уровней может идти генерация. Время жизни s-состояний (t_s»100 нс) намного больше времени жизни р -состояний (t_р»10 нс), поэтому выполняется условие для работы лазера по четырехуровневой схеме:

1¹S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s .

Лазерная генерация возможна на одном из переходов a, b, c соответственно с длинами волн l_а=3,39 мкм, l_b=0,633 мкм, l_с=1,15 мкм, которые можно получить подбором коэффициента отражения зеркал резонатора или введением в резонатор дисперсионных элементов.

Рис. 3.4. Схема энергетических уровней гелия и неона.

Рассмотрим генерационую характеристику такого лазера.

Рис.3.5. Генерационная характеристика гелий-неонового лазера.

Первоначальный рост выходной мощности при увеличении тока накачки объясняется инверсией населенности. После достижения максимальной мощности при дальнейшем увеличении тока накачки кривая начинает спадать. Это объясняется тем, что 2р и 1s уровни не успевают релаксировать, т.е. электроны не успевают перейти на низкий энергетический уровень и количество электронов на соседних 2р и 1s уровнях становится одинаковым. В этом случае отсутствует инверсия.

КПД гелий-неоновых лазеров имеет порядок 0,1 %, что объясняется низкой объемной плотностью возбужденных частиц. Выходная мощность типичного He-Ne –лазера P ~5-50 мВт, расходимость q ~1 мрад.

Аргоновый лазер

Это самые мощные лазеры непрерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра относящиеся к ионным газовым лазерам. Верхний лазерный уровень в рабочем газе заселяется благодаря двум последовательным столкновениям электронов при электрическом разряде. При первом столкновении образуются ионы из нейтральных атомов, а при втором происходит возбуждение этих ионов. Следовательно, накачка представляет собой двухступенчатый процесс, эффективность каждого из которых пропорциональна плотности тока. Для осуществления эффективной накачки необходимы достаточно большие плотности тока.

Диаграмма энергетических уровней лазера на Ar⁺ показана на рис. 3.3. Излучение лазера в линиях между 454,5 нм и 528,7 нм происходит при заселении группы уровней 4p путем возбуждения электронным ударом основного или метастабильных состояний Ar⁺.

Рис.3.3. Диаграмма энергетических уровней аргонового лазера.

3.5 СО₂-лазер

МолекулярныеСО₂–лазеры являются среди газовых лазеров самыми мощными непрерывными лазерами, вследствие наибольшего КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (15-20 %). Лазерная генерация происходит на колебательно-вращательных переходах и линии излучения этих лазеров находятся в дальней ИК-области, которые расположены на длинах волн 9,4 мкм и 10,4 мкм.

В СО₂–лазере используется смесь газов СО₂, N₂ и He. Накачка осуществляется непосредственно при столкновениях молекул СО₂ с электронами и колебательно возбужденными молекулами N₂. Высокая теплопроводность He в смеси способствует охлаждению СО₂, что приводит к обеднению нижнего лазерного уровня, заселяемого в результате теплового возбуждения. Таким образом, присутствие N₂ в смеси способствует высокой заселенности верхнего лазерного уровня, а присутствие He – обеднению нижнего уровня, а в итоге совместно они приводят к повышению инверсии населенностей. Диаграмма энергетических уровней СО₂ –лазера показана на рис. 3.4. Лазерная генерация осуществляется при переходе между колебательными состояниями молекулы СО₂ n₃Þn₁ или n₃Þn₂ с изменением вращательного состояния.

Рис. 3.4. Диаграмма энергетических уровней N₂ и СО₂ в СО₂ –лазере.

СО₂–лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсных режимах. В непрерывном режиме его выходная мощность может достигать нескольких киловатт.

Полупроводниковые лазеры

К полупроводниковым лазерам относятся лазеры, в которых используются оптические переходы с участием свободных носителей тока в кристаллах, т.е. с участием межзонных электронных переходов в полупроводнике. Следовательно, в этом случае рассматриваются переходы между двумя распределенными энергетическими уровнями, а не между отдельными уровнями, как было в атомарных и молекулярных системах.