Газоразрядные лазеры. 
Лазеры на газовом разряде

Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1−10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10 — 50 МГц).

Особенности устройства газоразрядных лазеров

Активный элемент представляет собой трубку 1, заполненную смесью газов, в которой с помощью впаянных в нее электродов — анода 2 и катода 3 и источника питания ИП зажигается электрический разряд.

Трубка помещается в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами 4. Зеркала резонатора могут располагаться или внутри трубки, или вне ее. В первом случае необходимо специальное устройство, которое позволяло бы перемещать зеркала внутри разрядной трубки для их точной юстировки. Во втором случае при расположении зеркал резонатора вне рабочей трубки необходимо исключить потери при выводе лазерного излучения через ее торцы, так как эти потери происходят внутри резонатора. Исключить эти потери, обусловленные в основном френелевским отражением, можно, расположив выходные окна 5 на торцах трубки не перпендикулярно ее оси, а под углом, равным углу Брюстера и_Б. В этом случае, как следует из формулы, коэффициент отражения для волны, поляризованной параллельно плоскости падения, равен 0 и френелевские потери будут отсутствовать. Такие окна изображены на рис. 4. Они называются окнами Брюстера. Очевидно, что излучение лазера, внутри резонатора которого расположены окна Брюстера, будет плоскополяризованным, поскольку условие самовозбуждения будет в первую очередь выполняться для волны, вектор E которой параллелен плоскости падения и перпендикулярен оптической оси резонатора.

Одно из основных требований, которое предъявляется к энергетическим состояниям рабочего газа, — большая скорость опустошения нижнего лазерного уровня E^B₁. Инверсия населенности в стационарном режиме может быть получена, если время жизни уровня E^B₂ определяется излучательными переходами на уровень E^B₁, вероятность которых меньше вероятности опустошения нижнего уровня E^B₂, т. е. ф₂ > ф₁. В противном случае при ф₂ << ф₁ инверсию населенностей между уровнями Е₂ и Е₁ в стационарном режиме получить невозможно, но ее можно получить в нестационарном, импульсном режиме с помощью так называемых самоограниченных переходов.

Процессы в газовом разряде

Рассмотрим теперь основные процессы неупругого взаимодействия, благодаря которым осуществляется возбуждение атомов рабочего газа и достигается инверсная населенность между рабочими лазерными уровнями. Из неупругих столкновений первого рода важны следующие три:

1. Прямое электронное возбуждение:

Электрон, ускоренный электрическим полем, взаимодействует с атомом, молекулой или ионом А, переводя его в возбужденное состояние и теряя свою кинетическую энергию.

2. Ступенчатое электронное возбуждение:

В результате этого процесса центр А, который до взаимодействия уже находился в возбужденном состоянии, переходит в более высокое возбужденное состояние.

3. Ионизация электронным ударом:

Для осуществления этих трех процессов необходимо, чтобы энергия электрона превышала некоторое минимальное пороговое значение Е_min, которое определяется состоянием атома для первого процесса, энергетическим расстоянием между возбужденными состояниями для второго процесса и энергией ионизации для третьего процесса.