Ионные аргоновые лазеры

Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой плотности (~10 3 А/см 3).

Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4p) и нижним (4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4p, имеющий по сравнению с уровнем 4s большее время жизни, заселяются ионами аргона в результате их столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5p. В то же время уровень 5p, обладающий очень коротким временем жизни, быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5p, 5s, 4p состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515.

В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (~0,1%) и большая потребляемая мощность (3…5 кВт).

Схема принципиального процесса генерации верхних лазерных уровней приведена на рис. 6 на примере аргона. В результате соударения электронов ионизируется атом аргона. Далее, после столкновения второго рода, ион аргона возбуждается в верхний лазерный уровень. Другие механизмы возбуждения заключаются в том, что населенность создается за счет распадов излучения вышележащих уровней либо электронно-столкновительное возбуждение проистекает из более глубоких метастабильных состояний иона аргона. Как предполагается, все три процесса вносят существенный вклад в заселенность верхнего лазерного уровня, причем, например, на долю каскадных переходов из вышележащих уровней приходится от 25 до 50%.

Рис. 7. Энергетические уровни и процесс накачки у аргонового лазера. (ArII есть спектроскопическое обозначение для иона Аr⁺)

Как видно из рис. 7, верхний лазерный 4p-уровень 35,7 эВ располагается над основным состоянием атома аргона, а 20>В — над ионом аргона. Таким образом, возбуждению могут способствовать только обладающие большой энергией электроны с получением невысокой квантовой эффективности порядка 10%. Эти данные относятся к основному состоянию иона аргона, так как он может вновь возбуждаться в разряде. Нижний лазерный 4y-уровень быстро опустошается в результате излучательного перехода (72 нм) с временем жизни 1 нс. В сравнении с этим, время жизни в верхнем 4p-состоянии продолжительнее на 10 нc. Короткое время жизни на нижнем лазерном уровне обеспечивает совсем небольшую населенность, вследствие чего инверсия может осуществляться, несмотря на относительно слабое возбуждение верхнего лазерного уровня.

Так как состояния 4р и 4S расщеплены, образуется большое число лазерных переходов с разными интенсивностями. На рис. 8 показано 10 лазерных линий, самые интенсивные из которых находятся в диапазоне длин волн 488,0 нм (синяя) и 514,5 нм (зеленая). В коммерческих лазерах достигаются мощности этих линий более 10 ватт (см. таблицу 1).

Рис. 8. 4p->4s — переходы аргонового лазера

По причине двухступенчатого электронно-столкновительного возбуждения мощность аргонового лазера возрастает почти квадратично току. Для аргонового лазера высокой мощности обязательны, в силу необходимой ионизации и возбуждения, большие токи на малых поперечных сечениях. Безусловно, это потребует гораздо более серьезных, по сравнению с гелий-неоновыми лазерами, технологических затрат.

При дальнейшем повышении плотности тока аргон может быть ионизирован дважды. Для этого требуется энергия в 43 эВ. Примерно на 25−30 эВ выше основного состояния Аr2+ существуют дальнейшие лазерные уровни, которые генерируют ультрафиолетовое излучение с 334, 351 и 364 нм. У лазеров в специальном исполнении мощность может составлять несколько ватт. Такие ультрафиолетовые аргоновые лазеры довольно дороги, ибо для них требуется специальная оптика, а также обязательны повышенные плотности тока и сильные магнитные поля.

Таблица 1. Мощность ионного аргонового лазера 20 Вт при разных линиях излучениях.