Міністерство науки і освіти України Національний університет “Львівська політехніка” Розрахункова робота з курсу: “Квантова електроніка” на тему: “Аргоновий лазер” Виконав ст. гр. ЕЛ Прийняв Львів 2005 І Огляд літератури. Іонні лазери В порівнянні з нейтральними атомами шкала енергетичних рівнів іонізованого атома є більш широкою. Дійсно, в цьому випадку кожен електрон атома піддається дії поля додатнього заряду ядра Ze (Z - атомний номер елемента, а е - заряд електрона), екранованого від’ємним зарядом (Z - 2)e решти електронів. Таким чином, результуючий ефективний заряд рівний 2е, в той час як у випадку нейтрального атома він рівний тільки е. Це розширення енергетичної шкали приводить до того, що іонні лазери зазвичай працюють у видимій та ультрафіолетовій області спектру. Як і лазери на нейтральних атомах, іонні лазери можна поділити на дві категорії : 1) іонні газові лазери, що використовують більшість інертних газів, серед яких найбільш відмінним прикладом є Аr лазер; 2) лазери на парах металів, в яких застосовуються різні метали (Sn, Pb, Zn, Cd, і Se); серед цих лазерів виділяється Не-Cd лазер. [2] Аргоновий лазер Спрощена схема рівнів енергії, що беруть участь в генерації, в аргоновому лазері приведена на рис.1. Основний стан іона Аr+ отримуємо шляхом видалення одного з шести 3р-електронів зовнішньої оболонки аргону. Збуджені стани 4s і 4р виникають, коли один з тих п’яти електронів, що залишилися на 3р-оболонці закидається на рівні відповідно 4s і 4р. З урахуванням взаємодії з рештою 3р-електронів обидва рівні 4s і 4р, позначені на рис.1, як прості рівні, насправді складаються з декількох рівнів (відповідно 9 і 2). Збудження верхнього лазерного 4р-рівня відбувається з допомогою двохрівневого процесу, що включає зіткнення з двома різними електронами. При першому зіткненні аргон іонізується, тобто переходить в основний стан іона Аr+. Іон Аr+, що знаходиться в основному стані, вдруге співударяється з електроном, що може привести до наступних трьох різних процесів: 1) безпосереднє збудження іона Аr+ на 4р-рівень (процес a на рис.1); 2) збуджень у вище лежачі стани з подальшими каскадними випромінювальними переходами на рівень 4р (процес b на рис.1); 3) збудження на метастабільні рівні з подальшим третім зіткненням з електроном, що приводить до збудження на 4р-рівень (процес с рис.1).
Рис.1. Рівні енергії іона Ar+, які беруть участь в лазерній генерації. Оскільки процеси 1 і 2 включають два етапи, пов'язані із зіткненнями з електронами, слід чекати, що швидкість накачування у верхній стан буде пропорційна квадрату густини струму розряду. Дійсно, швидкість накачування верхнього стану (dN2/dt)p повинна мати вигляд (dN2/dt)p ~ NeNi ~ Ne2 де Ne і Ni — густина електронів і іонів в плазмі (Ne≈Ni в плазмі позитивного стовпа). Оскільки електричне поле в розряді не залежить від розрядного струму, густина електронів Ne пропорційна густині розрядного струму і з виразу виходить, що (dN2/dt)p ~ J2. Можна показати, що при високій густині струму розглянутий вище процес 3 також призводить до того, що швидкість накачування пропорційна J2. Таким чином, накачування різко зростає із збільшенням густини струму і для того, щоб розглянутий вище малоефективний двохрівневий процес дозволив закачати досить багато іонів у верхній стан, необхідна висока густина струму (~ 1 кА/см2). Цим можна пояснити, чому перший запуск Аr+-лазера відбувся через 3 роки після запуску Не—Ne-лазера (Бріджес, 1964). Іон Аr+, будучи закинутим на верхній лазерний рівень 4р, може релаксувати на рівень ...