Оптический квантовый генератор (ОКГ) на смеси гелия и неона

 

Целью лабораторной работы является изучение оптического квантового генератора (лазера), рабочим веществом в котором является смесь газов: гелия и неона. Главное отличие газовых лазеров от лазеров на твердых веществах состоит в различных методах возбуждения и подвода энергии накачки. Метод оптической накачки практически непригоден для газовых лазеров из-за отсутствия полос поглощения в газах. Ширина линий поглощения в атомарных газах мала по сравнению с полосами поглощения в твердых телах. Поэтому для того чтобы оптическая накачка была эффективной, необходимо, чтобы линии лампы накачки точно соответствовали линиям поглощения газа в лазере. Это означает, что для возбуждения обычные лампы накачки использовать нельзя, так как они дают излучение, близкое к излучению черного тела. Спектральная плотность энергии излучения таких источников недостаточна для того, чтобы создать инверсную населенность.

Для создания инверсной населенности можно воспользоваться методом возбуждения атомов электронным ударом. Возбуждение атомов электронным ударом проще всего осуществить в газовом разряде, в котором возникают свободные электроны и ионы, т.е. возникает плазма. Электроны и ионы газоразрядной плазмы ускоряются полем разряда, приобретают кинетическую энергию. При взаимодействии электронов и ионов с атомами газа и между собой происходит перераспределение энергии. Обмен энергиями между ионами и атомами протекает интенсивно (так как их массы равны), поэтому средняя кинетическая энергия ионов практически равна средней энергии атомов. В газовом разряде низкого давления (несколько миллиметров ртутного столба) при упругих соударениях электронов с атомами и ионами газа обмен энергиями между ними практически не происходит (так как масса электрона значительно меньше массы атома). Поэтому в стационарном разряде между электронами (вследствие взаимодействия между ними) быстро устанавливается равновесное распределение, характеризуемое средней энергией, т.е. температурой Т_е. При этом средняя энергия электронов оказывается существенно больше средней энергии атомов (kТ_е» kТ). Убедимся в этом. Составим уравнение баланса энергии для электронов, считая, что проводимость плазмы обусловлена в основном движением электронов (из-за того, что М» m_е, скоростью ионов пренебрегаем по сравнению со скоростью электронов). Тогда джоулево тепло, выделяемое в электронном газе, уравновешивается передачей энергии от электронов ионам и атомам:

(48)

Здесь – проводимость; n – концентрация электронов; Т_e - их температура, не равная температуре газа Т; τ; - время между двумя соударениями электрона с атомами; E – напряженность электрического поля в плазме. Множитель m / M (m - масса электрона, М - масса атома) отражает тот факт, что при упругом соударении электрон передает лишь долю ~ m / M своей энергии. Из (48) получаем оценку для температуры электронов в плазме:

(49)

При величинах полей, реализующихся в положительных столбах разрядов низкого давления, температуры электронов, определяемые из (49), могут достигать значительных величин (~ 100 эВ). В действительности, однако, этого не происходит, поскольку по достижении электронами энергий порядка энергий возбуждения уровней атомов они начинают сталкиваться неупруго, теряя при каждом соударении порцию энергии, равную энергии возбуждения уровня. Из-за неупругих соударений энергия электронов не может заметно превысить порог возбуждения атомов. Поэтому оценка электронной температуры (49), не учитывающая неупругие соударения, является завышенной. Однако именно высокие значения Т_е в (49) являются предпосылкой того, что значительное количество электронов сможет приобретать в газовом разряде энергию, необходимую для возбуждения атомов. Поэтому в разряде найдется достаточное количество электронов, которые будут испытывать с атомами неупругие соударения, будут возбуждать и даже ионизировать атомы.

Если в разряде присутствует смесь двух газов, то при соударении двух различных атомов может происходить обмен энергией возбуждения, если при этом атомы обладают близко расположенными энергетическими уровнями. В этом случае практически вся энергия возбуждения первого атома переходит в энергию возбуждения второго, и лишь малая ее часть переходит в кинетическую энергию сталкивающихся частиц. При этом ранее возбужденный атом в результате такого соударения безызлучательно переходит в основное состояние. Особый интерес представляет случай, когда обмен энергией происходит между атомом, находящимся в метастабильном состоянии, и невозбужденным атомом. В этом случае существует возможность передачи энергии возбуждения с сильно населенного метастабильного уровня атомов одного газа атомам другого газа, что может привести к созданию инверсной населенности их уровней. Таким образом, возбуждение атомов газа в электрическом разряде вызывается двумя основными причинами: а) электрон-атомными столкновениями и б) резонансной передачей энергии в газовой смеси, состоящей более чем из одной компоненты. В газовом разряде возбужденный атом может перейти в более низкое энергетическое состояние (включая основное) в результате следующих процессов:

а) при столкновении возбужденного атома с электроном, в процессе которого возбужденный атом отдает свою энергию электрону;

б) при атом-атомных столкновениях в газовой смеси, состоящей из двух и более компонент;

в) при столкновении возбужденного атома со стенками газоразрядной трубки;

г) спонтанного излучения.

Газовые лазеры можно разделить на следующие четыре большие группы:

а) лазеры на нейтральных атомах; б) ионные лазеры; в) молекулярные лазеры; г) импульсные лазеры. Большинство этих лазеров обладают конструкцией, схема которой представлена на рис.18.

 

 

Рис.7. Схема устройства газового лазера:

1 – газоразрядная трубка; 2 – выходное окно; 3 – электроды; 4 – зеркало резонатора

Оба выходных окна 2 разрядной трубки 1 расположены под углом Брюстера (угол α), при котором луч лазера, поляризованный в плоскости рисунка, не испытывает потерь на окнах.

Типичным представителем газовых лазеров на нейтральных атомах, в которых инверсная населенность обеспечивается методом резонансной передачи энергии, является гелий-неоновый (He-Ne)лазер. В этом лазере активными частицами являются атомы неона, между уровнями которого осуществляется инверсия, а атомы гелия служат для создания эффективной накачки верхнего лазерного уровня атомов неона. Этот лазер получил широкое распространение в технике и лабораторной практике. На рис.8 приведена диаграмма низших энергетических уровней атомов гелия и неона. Уровни 2³S₁ и 2¹S₀ гелия – метастабильны, прямой радиационный переход в основное состояние 1¹S₀ запрещен. Основное состояние атома неона соответствует электронной конфигурации 1s²2s²2р⁶ и имеет терм ¹S₀. Выше (на ~ 16,7 эВ) основного состояния расположены четыре подуровня, соответствующие электронной конфигурации 2s²2p⁵3s. Далее расположена группа из 10 подуровней, соответствующая электронной конфигурация 2s²2р⁵3p и т.д. (см. рис.8 на нем не указаны подуровни, соответствующие электронным конфигурациям 2s²2p⁵4p, 2s²2p⁵3d). При столкновении атомов гелия, находящихся в метастабильных состояниях 2³S₁, 2¹S_o с атомами неона, находящимися в основном состоянии, возможна передаче энергии возбуждения атому неона.

 

 

 

Рис. 8. Схема низших энергетических уровней Не и Ne

(уровни Ne 2p⁵4p¹ и 2p⁵3d¹ не показаны)

 

При этом, поскольку вероятность обмена энергией возбуждения между атомами тем больше, чем ближе друг к другу расположены их уровни, атом неона перейдет на один из подуровней 2p⁵4s или 2р⁵5s, а атом гелия вернетcя в основное состояние. Процесс резонансной передачи энергии особенно эффективен, если разница энергий ∆Е уровней, между которыми происходит переход, не превышает энергию теплового движения частиц газа, т.е. если . Процесс резонансной передачи энергии возбужденного атома гелия невозбужденному атому неона будет протекать по схеме (см. рис.8):

 

He(1s2s)¹S₀ + Ne(2s²2p⁶) → He(1s²)¹S₀ + Ne(2s²2p⁵5s),

(50)

He(1s2s)³S₁ + Ne(2s²2p⁶) → He(1s²)¹S₀ + Ne(2s²2p⁵4s).

Таким образом, уровни 2р⁵4s и 2р⁵5s неона будут населяться не только за счет электронных ударов, но главным образом за счет столкновений атомов неона с возбужденными атомами гелия. Число соударений, при которых происходит процесс резонансной передачи энергии, пропорционально концентрации сталкивающихся частиц в исходных состояниях, т.е. скорость заселения верхних лазерных уровней неона пропорциональна концентрации невозбужденных атомов неона и заселенности метастабильных состояний 2¹S₀ и 2³S₁ атомов гелия. Большое время жизни атомов гелия в этих состояниях обусловливает высокую заселенность этих состояний и, в конечном итоге, достаточно высокую скорость заселения верхних лазерных уровней неона 2s²2p⁵5s и 2s²2р⁵4s за счет резонансной передачи энергии. Этот процесс является доминирующим в создании инверсной населенности в гелий-неоновом лазере, хотя и прямые столкновения электронов с атомами неона также участвуют в накачке. Таким образом, верхние лазерные уровни неона (2р⁵5s и 2р⁵4s) эффективно заселяются. Этому способствует также то обстоятельство, что время жизни этих уровней неона (τ_s ~ 10^-7 с) на порядок больше времени жизни 2р⁵3р уровней (τ_р ~ 10^-8 с). В согласии с правилами отбора атомы неона с системы верхних уровней (2p⁵5s и 2р⁵4s) могут переходить на нижние 2р⁵3р уровни, а затем с большой вероятностью (поскольку 2р⁵3р уровни короткоживущие) радиационно переходить на более низкие метастабильные 2р⁵3s уровни. Все это и обеспечивает выполнение условия инверсной населенности:

(51)

Описанный механизм заселения уровней неона обеспечивает получение инверсной населенности между парами подуровней 2p⁵5s → 2p⁵3p (дающей излучение c длиной волны (λ₁=6328 Å) и 2p⁵4s → 2p⁵3p (λ₂= 11523 Å), допуская возможность генерации на двух переходах. Поскольку возбужденные уровни 5s, 3s к 3р неона является сложными мультиплетами, то между компонентами многих из них возможны переходы, возможна генерация. Таким образом, ОКГ на смеси гелия и неона работает по четырехуровневой энергетической схеме, что дает возможность осуществления стационарной генерации излучения. В режиме стационарной генерации инверсная населенность равна пороговой ∆N_noр, определяемой по формуле

(52)

где ΔN = N₂ – N₁; N₂ и N₁ – заселенности верхнего и нижнего лазерного уровней соответственно; L - размер активного элемен­та; σ – сечение фотопоглощения; R – коэффициент отражения полупрозрачного (выходного) зеркала; ξ; – коэффициент поглощения в веществе, не связанный с переходом 2 → 1 (переходы с уровней 5s, 4s на уровни 3р).

Из (52) следует, что для того чтобы при данных условиях эксперимента (разряда, длины трубки) имела место генерация на переходе 2 → 1, необходимо, чтобы резонатор обладал определенной добротностью (зависящей от R). Таким образом, применяя зеркала с различными диэлектрическими покрытиями (различными R), можно на одной и той же трубке со смесью гелия и неона наблюдать генерацию на различных длинах волн. Зеркала резонатора могут быть либо плоскими (как в интерферометре Фабри-Перо), либо сферическими, с радиусом кривизны, значительно превышающим длину резонатора, либо комбинацией того и другого. Для газовых лазеров часто используют сферические зеркала. Они имеют некоторые преимущества, в основном связанные с более простой их юстировкой по сравнению с плоскими, где необходимо поддерживать параллельность зеркал с точностью до нескольких секунд. При юстировке зеркала выставляются соосно, что увеличивает эффективный коэффициент отражения зеркал и, следовательно, уменьшает пороговую инверсию.

Выше отмечали, что в гелий-неоновом лазере протекает ряд сложных процессов возбуждения и релаксации (переходы возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни). В силу этого гелий-неоновый лазер эффективно работает только при вполне определенных условиях - оптимальных внутреннем диаметре газоразрядной трубки (~ 2 мм), плотности тока разряда, давления неона (P_Ne ~0,1 мм рт.ст.) и отношении давления неона к давлению гелия . Требование оптимального внутреннего диаметра газоразрядной трубки возникает из-за того, что нижние 2p⁵3s состояния aтома неона метастабильны. С этих состояний атом неона может перейти в основное 2р⁵ (¹S₀) состояние только при столкновении со стенкой трубки, на которую он попадает в результате диффузии. При увеличении диаметра трубки растет время диффузии (уменьшается вероятность распада 2р⁵3s уровня), что может привести к резкому увеличению населенности 2р⁵3s уровней и, следовательно, к росту населенности (вследствие радиационного захвата – переходы 2р⁵3s → 2p⁵3р) нижних рабочих лазерных уровней 2р⁵3р. Это, в свою очередь, может привести к уменьшению инверсной населенности верхних рабочих лазерных уровней. При очень маленьких диаметрах трубки возникают значительные потери из-за дифракции, и существенно усложняется процедура юстировки лазера. Необходимость в оптимальной плотности тока разряда связана с тем, что при больших плотностях тока уменьшается инверсная населенность из-за того, что начинают сказываться процессы:

е + Ne(2p⁵3s) → Ne(2p⁵3p) + е,

е + Ne(2p⁵4s) → Ne + е.

С этими же процессами связано и условие оптимального давления (процессы становятся ощутимыми при высоких давлениях).

 

Контрольные вопросы

 

1. Дать определение и охарактеризовать спонтанное и вынужденное излучение.

2. Что определяют эйнштейновские коэффициенты поглощения, индуцированного и спонтанного излучения и какова связь между ними?

3. Что называют инверсной заселенностью и каково условие усиления излучения?

4. Каковы причины уширения спектральных линий? Чем определяется естественная ширина спектральной линии?

5. Назовите основные элементы, входящие в состав любого лазера. Как конструктивно они реализованы в Не-Nе-лазере?

6. Какие вещества могут быть использованы в качестве активной среды лазеров? Что собой представляет активная среда Не-Nе-лазера?

7. Назначение системы накачки. Какая система накачки используется в Не-Nе-лазере и почему?

8. Нарисуйте возможные схемы расположения энергетических уровней атомов, которые могут использоваться для генерации излучения в лазерах (с указанием переходов). Какая из них предпочтительнее и почему?

9. Назначение резонатора. Какие резонаторы используются в газовых лазерах? Какое излучение будет усиливаться в таком резонаторе?

10. Что является источником электромагнитного поля, возникающего в лазере, в процессе генерации излучения лазера?

11. Благодаря каким процессам создается инверсная населенность в активной среде Не-Nе-лазера?

12. Нарисуйте схему энергетических уровней Не и Nе и укажите переходы между энергетическими уровнями, происходящие в процессе работы лазера.

13. Каковы оптимальные условия работы Не-Nе-лазера?

 

ЛИТЕРАТУРА

1. С. Э. Фриш. Оптические спектры атомов. 1963г.

2. А. В. Елецкий, Б. М. Смирнов. Газовые лазеры. 1971г.

3. Р. И. Солоухин «Оптика и атомная физика». «Наука», 1976г.

4. Э.В. Шпольский. Атомная физика. «Наука», 1974.