Йонни газови лазери

Йонните лазери са известни с това, че произвеждат високоинтензивно излъчване във видимите и почти UV областите. Активните частици тук са редки газови йони.

Най-типичният представител (и най-често използван в медицината) е аргоновия йон лазер (Ар + ). Този лазер дава най-интензивно непрекъснато излъчване във видимия диапазон от всички известни лазери. Тъй като излъчващите частици са йони, а не неутрални частици, за достигане на прага на генериране са необходими големи плътности на тока. Газовият разряд изпълнява две задачи тук: осигурява висока концентрация на йони, произвеждайки йони от неутрални атоми и възбужда получените йони до необходимите енергийни нива. Опростена диаграма на работните нива на аргонов лазер е показана на фигура 8.7.

Ефективността на двустепенния инверсионен процес е пропорционална на поне квадрата на разрядния ток, тъй като ефективността на всеки от процесите (йонизация и възбуждане) е пропорционална на самия ток. Възбуда 4р и 4s нива на йони Ар + идва от основното състояние на йона 3p 5:

Ar + e ® Ar + + 2e; Ar + + e ® (Ar +) * + e (8.1)

Сблъсъците на йони с електрони са отговорни за възбуждането. Ако плътността на йоните в основното състояние Ni, и електрони Не, след това скоростта на изпомпване:

Състояние Ni " Не означава неутралността на плазмата като цяло. Но тъй като в стационарно състояние Не

Аз (аз - текуща плътност), L

I 2 . Полуемпирична формула, която следва от тези прости съображения, дава за изходната мощност на аргонов лазер:

P/V = 10 -5 J 2 (8.3)

Където P/V [W/cm 3] - обемна плътност на мощността при всички режими на излъчване, J - плътност на разрядния ток.

Заедно с изпомпването на горното ниво трябва да се внимава за изпразване на долното. За аргоновите йони, съотношението на живота на работните нива 3p 4 4p и 3p 4 4s неблагоприятно (без външни фактори, по-ниското ниво е по-дълготрайно). Наличието на UV лъчение от долното ниво с дължина на вълната около 72 nm помага. Такъв радиационен разпад на долното ниво осигурява необходимите условия за инверсия.

Излъчването в аргон се получава при 10 линии на преход между състоянията 4р и 4s, най-интензивните от които са линиите 514,5 nm (зелено) и 488,0 nm (синьо). Ефективността на аргоновия лазер, ограничена отгоре от квантовата граница

7% (което следва от диаграмата на нивата) е от същия порядък, както при He-Ne лазера (0,1 - 0,05)%. Може да се изчисли, че за всеки W изходна мощност има най-малко 1 kW консумирана мощност (за битови лазери - най-малко 5 kW).

За да се получи висока плътност на тока, се използват тръби с малък диаметър. Разрядът в този случай не е чисто светещ, където степента на йонизация е много малка, тя е по-близо до дъговата. Високата концентрация на активни частици позволява да се получат около 1000 пъти по-високи нива на изходна мощност, отколкото в He-Ne смес при същите налягания и дължини на активната среда.

Йонните газови лазери са създадени почти едновременно в много лаборатории, както в СССР, така и в САЩ, през 1963-64 г., така че е трудно да се посочи приоритетно развитие. Важно е да се отбележи, че външният им вид е предопределен от обективните нужди за получаване на мощна кохерентна радиация във видимия диапазон и в непрекъснат режим.