Квантові генератори світла на газоподібній речовині

 

Необхідність одержання квантових генераторів світла, що працюють у безперервному режимі, примусила вчених застосувати активні речовини з газових сумішей.

У квантових генераторах світла на газових сумішах ви­користовується тліючий електричний розряд. Найбільш рпоширеною є суміш гелію і неону. У цій суміші можна забезпечити ефект генерації світла на кількох довжинах хвиль у інфрачервоній ділянці спектра близько 10 000 Å (10^{-8 м).}

Перший квантовий генератор на гелії і неоні був запропонований у США Алі Джаваном у 1959 р. Він являв собою трубку з газовою сумішшю гелію (під тиском 1 мм рт. ст.) і неону (під тиском 0,1 мм рт. ст.). На кінцях трубка мала плоскопаралельні напівпрозорі дзеркала.

За допомогою звичайного генератора, який генерує ко­ливання з частотою 30 МГц, у газовій суміші створюється електричний розряд, який призводить до збудження атомів гелію з основного рівня на рівень 2³S. На рис. 1 (26) наведена схема енергетичних рівнів гелію і неону.

Збуджені атоми гелію стикаються з атомами неону і, передавши їм свою енергію, повертаються у основний стан.

Атоми неону, збільшивши свою внутрішню енергію, пе­реходять на рівень 2S, що складається з чотирьох підрівнів, а атоми гелію, втративши енергію, переходять з рівня 2³S на основний.

Стикаючись з атомами гелію, атоми неону пе­реходять головним чином на рівень 2S, а не на 2Р і 1S. У результаті інверсії населеності рівнів 2S і 2Р відбувається індуковане випромінювання.

Рівень 2S складається з чотирьох, а рівень 2Р — з де­сяти підрівнів, тому можливі 30 переходів з підрівнів 2S на підрівні 2Р, які лежать у інфрачервоній області спектра. Проте, тільки 5 переходів відбуваються при індукованому випромінюванні.

Схема газового лазера на суміші неону і гелію показана на рис. 2 (27), а на рис. 3 (28) наведено зовнішній вигляд газового квантового генератора.

В результаті газового розряду атоми неону безперервно переходять на відповідний рівень збудження, що необхідно для квантової генерації безперервного променя. Промінь нагромаджує інтенсивність і набуває потрібної когерентності у процесі багаторазового відбивання від обох кінців трубки.

На кінцях трубки всередині системи розташовані плоскі дзеркала, які (можна настроювати паралельно з точністю до кількох кутових секунд. Сильфони на краях системи, на яких закріпле­ні дзеркала, служать для юстирування дзеркал. Дзеркала сферичної форми дозволяють значно легше настроювати систему і забезпечують більшу ефективність в одержанні когерентного випромінювання, ніж плоскі. Перестроювання положення дзеркал у межах кількох кутових хвилин не приводить до помітної зміни вихідної потужності. Величина повної зміни кута дзеркал між точками, що відповідають зменшенню потужності вдвічі порівняно з максимальною, становить близько половини градуса. Максимальний коефіцієнт відбивання дзеркал для випромінювання, що генерує, досягав 99%.

В описаному газовому лазері використовувалась на­повнена сумішшю неону і гелію трубка довжиною 1 м з внутрішнім діаметром 1,5 см. Як джерело підкачування застосовувався високочастотний генератор з частотою 30 МГц і потужністю 50 Вт. Газовий лазер давав вихідну потужність близько 15 мВт.

 

 

Рис. 2. Схема газового лазера на суміші Ge і Ne гелію:

 

1,4 — відбивальні торцеві пластини;

2— болт для встановлення кута нахилу пластини;

3— газова суміш; 5—генератор радіочастоти.

Рис. 3. Зовнішній вигляд газового квантового генератора

У грудні 1961 р. описаний газовий лазер випробовувався у США в дослідах по телефонному зв'язку в інфрачервоному діапазоні з використанням широкосмужної модуляції до 60 кГц.

Відомі конструкції газових лазерів на інших сумішах і (криптону з парами ртуті, криптону з меркурієм, інертного газу і кисню), а також на чистих однорідних газах з оптич­ним підкачуванням.

Схема цезієвого генератора

На рис. наведена схема цезієвого лазера, за допо­могою якого вдалося одержати безперервну генерацію на переході 7,18 мк. Лампа накачування являла собою безелектродну гелієву газорозрядну трубку 4, що працює на частоті 15 МГц потужністю 800 Вт. У резонаторі застосо­ване диференціальне відкачування для запобігання дії па­рів цезія на вакуумні ущільнення, що ізолюють систему від атмосфери.

Цезій у газоподібному стані при температурі 98° К по­дається у об'ємний резонатор довжиною 92 см; відпрацьо­ваний цезій видаляється насосом 1. На кінцях об'ємного резонатора розташовані вікна з фтористого барію, прозо­рого для інфрачервоних променів. Через одне вікно 2 ви­ходить промінь, випромінюваний квантовим генератором, через вікно 3 контролюють роботу генератора і юстирування променя.

Прилад дає випромінювання, що має надзвичайно висо­ку когерентність (ширина смуги не більше 0,003 Гц) з ши­риною променя порядку 7 '. Вихідна потужність дорів­нює приблизно 1 мВт у кожному пучку. Використовуючи удо­сконалену імпульсну лампу високої потужності, можна одержати у цезієвому імпульсному генераторі вихідну по­тужність порядку 1 Вт.

Пошуки нових матеріалів, які могли б служити актив­ною речовиною у квантових генераторах світла, привели до створення лазерів на рідких речовинах. Охолодження генератора у лазерів на рідинах полегшується можливістю циркуляції робочої рідини.

Головною ж особливістю лазера на рідкому тілі є мож­ливість одержання великих потужностей випромінювання при відносно невеликій потужності підкачування. У рідких лазерах можна змінювати частоту шляхом швидкого вве­дення у рідину іншого домішуваного матеріалу.

Іонні лазери. Робочими речовини ми в цих газових лазерах є сильно іонізовані інертні гази (Хе ксенон, Кr криптон, Аr аргон, Ne неон), а також іони Р (фосфору), S (сіри) і С1 (хлора). У іонних газових лазерах лазерні переході відбуваються між рівнями іонізованих атомів, причому ступінь іонізації може бути дуже великим.

Т. я. перш ніж порушити іонні рівні потрібно спочатку іонізувати нейтральні атоми, іонні лазери вимагають для своєї роботи пропускання черев газ дуже великих струмів щільністю до декілька тис. А/см². Струм пропускають через газ, поміщений в тонкий (діаметром ~5 мм) довгий капіляр. Капіляр охолоджується, в для збільшення концентрації електронів в центрі капіляра створюють подовжнє магнітне поле. Таке поле стискає розряд в капілярі і не дає йому стосуватися стінок. Поле створюється або соленоїдом, або постійними магнітами.

Іонні лазери є найпотужнішими джерелами когерентного світла у видимому і ультрафіолетовому діапазонах. Такий лазер може пропалювати в металі отвори, його випромінювання можна використовувати для генерації короткохвильових оптичних гармонік). Головна трудність створення іонних лазерів - руйнування капіляра. Із-за бомбардування його стінок електронами і іонами в потужному розряді стінки капіляру виснажуються, покриваються тріщинами і капіляр руйнується.

 

 

Лазер на вуглекислому газі СО₂ (молекулярний лазер). Перший молекулярний лазер був створений Р. Нашлем в США в 1964 р. Цей лазер працював на вимушених переходах між коливальними рівнями молекули СО₂.

Потужні лазери на СО₂ можна з успіхом застосовувати для різки і зварки металів, для світлової локації, а також як потужного перебудовуваного по частоті джерела світло (через можливості генерації на великому числі переходів між тісно розташованими рівнями).

Хімічні лазери. Окрім електричного розряду, інверсія населенностей рівнів атомів і молекул в газовому лазері може створюватися в результаті хімічної реакцій, при яких утворюються атоми / радикали в збуджених станах. Хімічні лазери можуть працювати тільки на швидкоплинних реакціях, таких як фотодисоціація молекул (розпад молекули на декілька частин під дією світла), вибух або хім. реакції між атомами або молекулами зустрічних пучках атомів/молекул різних речовин.