8.3.   Газовые лазеры

Газовые лазеры находят применение в оптоэлектронике, прежде всего, потому что они обладают высокой степенью когерентности излучения. Относительное изменение длины волны излу­чения ( у этих приборов лежит в диапазоне 10^{-6 –} 0^-9, в то время как у других типов лазеров оно не менее 10 ^-4. Малое значение  обусловлено слабым взаимодействием атомов и молекул в столь разреженном активном веществе, каким является газ. Коэффициент квантового усиления () в разреженных газах мал. Это приводит к тому, что для эффективного усиления излучения газовый лазер дол­жен иметь большие линейные размеры. С другой стороны, увеличение линейного размера позволяет получить малую расходимость излучения (): при длине резонатора не менее десятков сантиметров можно получить  0,01 º. У других типов лазеров  1º.

Таким образом, там, где необходимы высокие когерентность и направленность излучения, применение газовых лазеров становится пред­почтительным. Например, газовые лазеры в настоящее время незаме­нимы при передаче большого объема информации в системах лазерной оптической связи.

Рассмотрим принцип действия газового лазера на примере газо­разрядного лазера.

Газоразрядные лазеры рабо­тают на разреженных газовых средах (давление газа составляет примерно 100 – 1000 мПа). Ак­тивной средой газоразрядного ла­зера является образующаяся при возникновении электрического разряда газоразрядная плазма. Используются два типа разрядов; дуговой и тлеющий. На рис. 8.6 приводятся распределения потен­циала по длине разрядного про­межутка для дугового и тлеющего разрядов. Здесь индекс 1 (а также кривая 1) относится к дуговому разряду, индекс 2 (кривая 2) – к тлеющему; d – длина прикатодной области разряда; l – длина области разряда, называемой областью столба разряда, где характеристики разряда наиболее устойчивы, а на­пряжённость поля постоянна по длине области. Эта область является рабочей для газоразрядного лазера; U – рабочее напряжение (раз­ность потенциалов между анодом и катодом). Сравнив характерные параметры для каждого из разрядов, можем записать:

;        ;       .

Некоторые параметры дугового и тлеющего разрядов приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Параметры дугового и тлеющего разрядов

Разряд	Рабочее напряжение, В	Плотность тока, А/см2	Температура разряда, К	Концентрация электронов, см-3	Относительная ионизация,  %
Дуговой	10 – 100	102 – 103	1000	1013	1
1000	10-3 – 10-1	300	109 – 1011	0,01

Из приведенного сравнения (табл. 8.1) видно, что дуговой разряд – это силь­ноточный высокотемпературный разряд с высокой степенью ионизации плазмы; тлеющий разряд – слаботочный, низкотемпературный, с низкой степенью ионизации плазмы.

В качестве примера лазера дугового разряда рассмотрим аргоно­вый лазер (рис.8.7). Обводной канал 7 обеспечивает выравнивание давления по длине трубки: в отсутствие такого канала газ накапливается в анодной части трубки вскоре после включения дугового разряда. Такого типа лазеры относительно дороги и громоздки.

Наиболее распространенным типом газоразрядного лазера является гелий-неоновый. Этот лазер работает на тлеющем разряде. Разряд вызывает возбуждение атомов гелия, которые при соударении передают энергию атомам неона, имеющим точно такие же уровни возбуждения. Энерге­тический спектр атомов неона обеспечивает генерацию когерентного излучения с длиной волны  = 0,633 мкм.

Основным элементом гелий-неонового лазера является стеклянная или квар­цевая трубка 2, заполненная гелий-неоновой смесью (рис. 8.8). Трубка диаметром в несколько миллиметров и более и длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров откачивается и наполняется смесью газов. Внутри трубки имеются электроды 3, к которым подводится электрическое напряжение, возбуждающее и поддерживающее разряд в газе.

Торцы трубки закрываются плоскими стеклянными или кварцевыми пластинками 1. Коэффициент отражения от плоской пластинки зависит как от угла падения, так и от поляризации излучения. Если плоскость поляризации совпадает с плоскостью падения излучения на пластинку, то при некотором определенном угле (так называемом угле Брюстера) излучение пройдет через пластинку целиком, не отражаясь.

Большие габариты, наличие газонаполненного объема, высоковольт­ное питание, низкий КПД, сложность устройства возбуждения обуслов­ливают практическую непригодность газовых лазеров для микрооптоэлектроники. В то же время там, где необходимы высокая когерент­ность и направленность излучения, а требования к массам и габаритам невысоки, использование газовых лазеров является не только полезным, но и часто неизбежным.