стабильном состоянии, что благодаря процессу резонансной передачи энергии
атомам неона, описываемому формулой (123), ведет к росту инверсии
населенностей рабочей среды и, следовательно, мощности генерации. При
больших давлениях газовой смеси время свободного пробега электронов
снижается настолько, что они не успевают достаточно ускориться в
электрическом поле и приобрести необходимую энергию. Поэтому эффективность
возбуждения ато-мов уменьшается. Мощность генерации существенно зависит от
соотношения парциальных давлений гелия и неона в газовой смеси. Как
показывают исследования, для генерации на переходе 3$^ --— 2/Dn с /I =
0,6328 мкм оптимальное соотношение для неона и • гелия равно I : 5, а для
перехода 25^—2^ с Л-= 1,15 мкм оно равно I : 10 при общем давлении смеси
около 100 Па.
Важным вопросом получения максимальной выходной мощности является выбор
оптимального диаметра газоразрядной трубки. С одной стороны, увеличение
диаметра трубки, а значит, и объема активной среды должно приводить к
росту мощности генерации. С другой - чрезмерное увеличение диаметра трубки
ведет к уменьшению инверсии населенностей рабочей пары уровней. Это связано
с тем, что в процессе генерации опустошение нижнего рабочего уровня 2рь
происходит посредством каскадных переходов на ме-тастабильный уровень Is ,
с которого атомы возвращаются в основное состояние, главным образом под
влиянием соударений со стенками трубки. Чем больше радиус трубки, тем
больше время диффузии атомов неона к стенкам, а значит, время их жизни
в состоянии is . В результате на уровне is скашиваются атомы, откуда они в
результате электронного возбуждения переходят в состояние 2р и Зр ,
уменьиая инверсию населенностей. Экспериментально установлено, что для
трубок длиной I м оптимальный диаметр составляет 7-8 мм. Для трубок меньшей
длины он получается соответственно меньше.
[pic]
На рис.82 приведена типичная для гелий-неонового ОКГ зависимость
выходной мощности
^вых от тока РварВД® I (мощности разряда). Характер этой
зависимости полностью определяется механизмом возбуждения гелий-неоновой
смеси. С увеличением разрядного тока возрастает концентрация электронов в
плазме и увеличиваются населенности всех возбужденных состояний атомов
гелия и неона, особенно 2s-и 35-состояний, благодаря процессу, описываемому
формулами
(123). Поэтому мощность генерации с увеличением тока растет. По мере
дальнейшего возрастания тока рост инверсии из-за интенсивного заселения
нижних рабочих
уровней 2р и Зр в результате процесса ступенчатого возбуждения через
метаотабилъный уровень Is, описываемого формулами
(124), начинает замедляться. При больших разрядных токах (> 100 мА)
концентрация атомов неона в долгоживущем метаста-бильном состоянии is
становится настолько высокой, что ступенчатое заселение уровней 2р и Зр
приводит к уменьшению инверсной заселенности рабочей пары уровней, и
мощность генерации падает.
Оптимальная величина тока разряда для разных ОКГ находится в диапазоне
20*80 мА. Исследования показывают, что в оптимальном режиме удельная
мощность (мощность с единицы длины разрядной трубки) генерации составляет
30 мВг/м для перехода 3Sn-- 2pq ( Л- = 0,6328 мкм), 50 мВт/м для перехода
25g -2рц (Л, = = 1,152 мкм) и 100 мВт/м для перехода За^ - Зрц ( Л/
=3,394мий).
Коэффициент полезного действия гелий-неонового ОКГ составляет доли
процента. Столь низкий КПД объясняется малой квантовой эффективностью
рабочих переходов атомов неона и несовершенством процесса возбуждения их.
Квантовая эффективность рабочего перехода - это отношение энергии
излучаемого фотона к энергии, которая сообщается частице для возбуждения
ее до верхнего рабочего уровня. Иными словами, квантовая эффективность
показывает , какая доля энергии,затраченная на возбуждение частиц,
переходит в энергию генерации. Очевидно, что квантовая эффективность
рабочего перехода определяет теоретическое предельное значение КПД ОКГ. Для
атомэв неона энергия верхнего рабочего уровня составляет 20 аВ, а энергия
фотона генерации с Д=0,6328 мкм равна 2 эВ. Поэтому квантовая эффективность
т?д„ « 10?. Таким образом, в когерентное излучение может быть преобразовано
лишь 10% общей энергии, сообщенной атому.
С другой стороны, в процессе возбуждения атома Afe до верхнего рабочего
уровня эффективно могут участвовать только те электроны, энергия которыг
превышает 20 эВ. Так как в гелий-неоновой плазме наиболее аероятная энергия
электронов составляет 6+8 аВ, то для возбуждения верхнего рабочего уровня
используется лишь небольшая часть энергии, затрачиваемой на поддержание
газового разряда. Поатому КПД гелий-неонового ОКГ значительно меньше
квантовпй эффективности и составляет доли процента .
Спектр излучения гелий-неонового ОКГ состоит из отдельных . линий,
соответствующих продольным к поперечным типам колебаний используемого
открытого резонатора. Общая ширина спектра генерации определяется шириной
линии усиления активной среды ОКГ. Линия усиления активной среды гелий-
неонового ОКГ определяется эффектом Доплера, и ее ширина Д-^у растет с
увеличением интенсивности накачки. Для перехода с Л/ = 0,6328 мкм она
достигает 2000 МГц, для ^ = 1,152 мкм Ai)^» 1000 МГц, для Л = = 3,394 мкм
Дг?,, йг 400 МГц. При длине резонатора I м в ОКГ может генерироваться на ^
= 0,6328 мкм до 10+12, на Л.=1,]5мкм - до 5-6 продольных типов колебаний.
Применяя специальные методы селекции типов колебаний (см. § 5 гл.17),
можно получить генерацию в гелий-неоновом ОКГ на одной частоте.
Аргоновый ОКГ. В отличие от атомных ОКГ, к которым относится рассмотренный
гелий-неоновый ОКГ и в которых используются переходы между возбужденными
состояниями атомов, в ионных ОКГ рабочий переход соответствует
возбужденным уровням ионов. Ионный ОКГ в настоящее время - один из наиболее
мощных газовых ОКГ, излучение которых лежит в видимой области спектра. Это
связано с особенностями структуры энергетических уровней ионов и механизмом
создания инверсии населенностей.
Инверсия населен— ностей в ионных ОКГ осуществляется газовым разрядом. Так
как рабочими частицами в них являются ионы, то газовая плазма разряда
должна быть высокоионизированной. Поэтому в ионных ОКГ используется дуговой
разряд, отличающийся повышенной степенью ионизации.
Характерным представителем ионных ОКГ служит аргоновый ионный ОКГ,
наиболее изученный и разработанный в настоящее время. Давно налажен их
промышленный выпуск.
Рассмотрим механизм возбуждения аргоновых ионных ОКГ. На рис. 83
приведена упрощенная диаграмма нижних состояний ионов аргона.В
основном.состоянии атом
Др имеет электронную конфигурацию fs^Ss^p-Ss-S^6. Первое возбужденное
состояние атома Аг соответствует переводу одного из внешних электронов на 4
д -оболочку. При однократной ионизации получается конфигурация
iss•г,sг•г.pGЗsг'Зp5, которой соответствуют два уровня. Перевод одного из
электронов с Зр -оболочки иона аргона на оболочку ^ дает пять
энергетических уровней, а возбуждение электрона с Зр -оболочки на 4р
-оболочку ведет к образованию 13 уровней.
Генерация в аргонных ОКГ осуществляется на переходах между состояниями
иона Аг''' с электронной конфигурацией Зр^4р и З/^з. Инверсия населенностей
обеспечивается процессами ступенчатого электронного возбуждения и разным
временем жизни верхних и нижних рабочих уровней. В аргоновой плазме с
большой эффективностью идет процесс образования возбужденных атомов и ионов
посредством электронных соударений:
[pic]
Далее повторные соударения с электронами приводят к образованию
возбужденных ионов с электронными конфигурациями Зр^р и
[pic]
Кроме того, рабочие уровни заселяются в результате ступенчатых переходов
через уровни состояний ионов с электронной конфигурацией 3p^d и Зр^д (эта
система уровней на рис.83 не изображена).
Как показывают исследования, скорость заселения верхних и нижних
уровней одинакова. Инверсия населенностей образуется лишь вследствие
того, что время жизни уровней Зр^р примерно в 25 раз выше, чем время жизни
уровней 3p^4s. Нижние рабочие уровни Зр^д опустошаются вследствие
спонтанных переходов в основное состояние ионов с излучением в
ультрафиолетовой вакуумной области. Наибольшая инверсия населенностей
получается для переходов ^ р ^^ -* 4s г?^.
На рис.84, о. приведена схема аргонового ОКГ. Он отличается от гелий-
неонового ОКГ лишь конструкцией газоразряцной трубки. Как уже отмечалось, в
ионных ОКГ используется сильноточный дуговой разряд, обеспечивающий высокую
степень ионизации газа. Для генерации необходима плотность тока разряда до
нескольких сотен ампер на I см~. Разряд происходит в узкой капиллярной
трубке 3 , охлаждаемой водой 1 . Рабочее давление аргона в разрядном
капилляре устанавливается в несколько десятков паокалей. Электроды трубки
должны быть рассчитаны на разрядные токи до сотен ампер и иметь высокую
стойкость к электронной и ионной бомбардировке. Анод Ч обычно охлаждают
водой. Часто применяют в таких ОКГ оксвдные катоды 5 . Хорошо
зарекомендовали себя также импрегнированные катоды, представляющие собой
пористую
[pic]
вольфрамовую губку, пропитанную алюминатом бария или кальция. Такие катоды
обладают большой удельной эмиссией, превышающей во много раз оксвдные
катоды. Они не теряют своей эмиссионной способности при многократных
нарушениях вакуума в трубке.
При мощном дуговом разряде происходит процесс перекачки газа от
анодного конца трубки к катодному, в результате чего образуется перепад
давления и разряд гаснет. Для выравнивания давления по длине капилляра
катодную и анодную колбы соединяют обводным каналом 6 , обеспечивающим
свободную циркуляцию газа.
Разрядный капилляр должен выдерживать высокие тепловые нагрузки (сотни
ватт на квадратный сантиметр) и ионную бомбардировку. Капилляр часто
выполняется из кварца. Он термостоек, имеет хорошие электроизоляционные
свойства и устойчив к эрозии. Изготовление разрядных трубок из кварца не
представляет технологических трудностей. Обычно используют разрядные трубки
диаметром до I5+20 мм и длиной от 10 см до нескольких метров.
Существенный недостаток кварца - малая теплопроводность . Она позволяет
доводить плотность разрядного тока только до сотен ампер на I си2 в ОКГ
