Лазеры (квантовые усилители и генераторы оптического диапазона) — наиболее важные и широко применяемые приборы квантовой электроники. Это первые и пока что единственные источники интенсивного оптического излучения, обладающего высокой степенью когерентности, монохроматичности и направленности. Первый лазер был создан в 1960 г. Т. Мейманом на основе рубина. В конце этого же года был изготовлен первый газовый лазер на смеси газов гелия и неона, в 1962 г.— первый полупроводниковый лазер на арсениде галлия и в 1966 г.— первый жидкостный лазер на органическом красителе. За прошедший сравнительно небольшой период времени появилось много новых типов лазеров, использующих различные активные вещества и перекрывающих по спектру почти весь оптический диапазон. Конструкции лазеров были существенно улучшены и, что самое главное, были найдены оптимальные активные материалы, благодаря чему эффективность приборов (КПД) возросла от сотых долей до десятков процентов (30...50% для полупроводниковых лазеров на гетероструктурах, молекулярных СО2- и СО-газовых лазеров и некоторых типов химических лазеров).
В зависимости от типа используемого активного вещества различают: газовые, твердотельные (на твердых диэлектриках), жидкостные и полупроводниковые лазеры. Хотя по агрегатному состоянию активного вещества полупроводниковые лазеры формально можно отнести к твердотельным, особенности происходящих в них процессов, а также особенности их конструирования, изготовления и эксплуатации требуют вынесения этих приборов в отдельную группу.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСОБЕННОСТИ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ
Активное вещество газовых лазеров находится в газообразном состоянии. Это могут быть как обычные газы (вещества, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях), так и пары различных веществ (например, металлов) и их смеси. В газовых лазерах в качестве рабочих могут быть использованы весьма разнообразные переходы между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии нейтральных или ионизованных атомов и молекул. Это определяет весьма широкий спектральный диапазон их работы, включая ультрафиолетовую, видимую, инфракрасную и субмиллиметровую области. В общей сложности в настоящее время получена генерация более чем на 1000 различных переходах в газах и газовых смесях в интервале длин волн от ~0,1 мкм до ~ 1 мм и более. Только газовые среды могут быть прозрачны в таком широком диапазоне.
Газ, как активная среда, обладает высокой оптической однородностью. Вследствие слабого взаимодействия между активными частицами уширение уровней энергии в газах мало, а спектральные линии излучения — узкие. Поэтому излучение, генерируемое газовыми лазерами, обладает наивысшим «качеством» по сравнению с другими типами лазеров: диаграмма направленности узкая и определяется свойствами резонатора; излучение но спектру сосредоточено в одной или нескольких модах и сравнительно просто реализуется одночастотный режим работы. При принятии специальных мер в газовых лазерах может быть достигнута относительная стабильность частоты излучения на уровне 10-13...10-14, т. е. лучше, чем в пучковых мазерах, работающих в качестве стандартов частоты. С другой стороны, узость спектральных линий не дает возможность получать в газовых лазерах сверхкороткие импульсы света и перестраивать диапазон их работы. (Это не относится к газовым лазерам высокого давления.)
В газовых средах существует большое число процессов, приводящих к обмену энергией между частицами. Это приводит к возможности осуществлять различные методы накачки для создания инверсной населенности между рабочими лазерными уровнями активных частиц. По методам накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные, газодинамические и химические. В принципе в газовых лазерах может быть использована и оптическая накачка, но для ее реализации необходимы источники излучения в узком спектральном интервале, совпадающем со спектром поглощения активного газа. Поэтому в газовых лазерах она неэффективна.
Наиболее широкое распространение получили газоразрядные лазеры, которые в свою очередь подразделяют на три группы: атомарные, ионные и молекулярные. Газовый разряд, как правило, создается непосредственно в самой активной среде, хотя возможны схемы работы, при которых разряд осуществляется во вспомогательном газе, а затем атомы вспомогательного газа в рабочем объеме передают свою энергию атомам рабочего газа. Используют различные виды газовых разрядов: самостоятельный и несамостоятельный, импульсный и стационарный, дуговой и тлеющий, высокочастотный разряд и разряд на постоянном токе.
При несамостоятельном разряде ионизация газа производится внешним воздействием, а процесс возбуждения осуществляется независимо от условий пробоя при оптимальном значении напряженности электрического поля в разрядном промежутке. Такой разряд необходимо применять при больших давлениях газа в рабочем объеме, когда зажечь самостоятельный разряд бывает трудно.
Для импульсного разряда существенны как крутизна фронтов импульсов тока, так и интервал времени между ними. Разряд считается импульсным, если время нарастания (спада) импульса тока меньше характерного времени заселения (опустошения) рабочих состояний, а период времени между токовыми импульсами существенно больше времени, опустошения рабочих состояний в плазме газового разряда. В этом случае инверсия населенности возникает либо на фронте, либо на спаде импульса тока, а сами процессы создания инверсии связаны со свойствами нестационарной плазмы. В противном случае, при плавном нарастании и спаде токового импульса, в каждый интервал времени в плазме успевает установиться стационарное (точнее — квазистационарное) состояние. Такой разряд называется квазистационарным.
Для импульсного разряда, используемого в газоразрядных лазерах, характерны высокие значения плотности тока порядка 1 кА/см² в импульсе, времена нарастания и спада токового импульса менее 1 мкс при скважности Ти/τи>1000.
Стационарный разряд, применяемый для возбуждения газовых лазеров непрерывного или квазинепрерывного действия, разделяют на дуговой и тлеющий. Для дугового разряда характерны большие плотности тока до 1 кА/см², высокая эффективная температура газа, яркий шнур разряда и высокая степень ионизации, достигающая 10% и более. Для тлеющего разряда, напротив, характерны небольшие плотности тока порядка 10 ...10-1 А/см², низкая температура газа, примерно равная температуре окружающей среды, и слабая степень ионизации, составляющая всего 10-4...10-2 %, так что концентрация заряженных частиц (электронов и ионов) в тлеющем разряде мала.
Используют две разновидности тлеющего разряда: разряд на постоянном токе и высокочастотный разряд. При высокочастотном разряде, осуществляемом обычно на частотах 10...50 МГц, электроды располагаются на внешней стороне разрядной трубки в виде металлических поясков. Это упрощает конструкцию разрядной трубки и создает ряд удобств при ее изготовлении и эксплуатации.