§ 17. Лазер на смеси газов гелия и неона

Первый газовый лазер был создан в конце 1960 г. в лаборатории фирмы Белл Телефон Джаваном, Беннетом и Хериотом [36]. Это открытие явилось результатом интенсивных исследований Джавана, о которых уже упоминалось в § 15. Первый газовый лазер представлял собой разрядную трубку длиной 100 см с внутренним диаметром 1,5 см, наполненную гелием при давлении 1 мм рт. ст. и неоном при давлении 0,1 мм рт. ст. На концах трубки внутри системы были расположены плоские зеркала, которые можно было настраивать параллельно с точностью до нескольких угловых секунд. Упрощенная схема лазера приведена на фиг. 34. Более сложные схемы, на которых показаны котировочные устройства, опубликованы Хериотом [31] и Шавловом [73]. Технические трудности при изготовлении лазера в основном вызваны применением сильфонов в юстировочном устройстве. Этих трудностей можно избежать весьма простым методом: если принять необходимые меры для уменьшения отражения излучения от стеклянных или кварцевых окон, расположенных на концах трубки, то можно использовать внешние зеркала. Этого можно достичь применением трубок, концы которых закрыты плоскопараллельными пластинами, расположенными под углом Брюстера по отношению к оси трубки. Лазер такого типа был создан в начале 1961 г. в лаборатории фирмы Белл Телефон Ригродом и Когельником и одновременно в лаборатории фирмы Хьюз Джорджи и Смитом.

Фиг. 34. Схема первого газового лазера (разработан в лаборатории фирмы Белл Телефон). 1 - электроды; 2 - сильфоны; 3 - зеркала; 4 - окна; 5 - смесь He-Ne; 6 - высокочастотный генератор

Схема газового лазера с внешними зеркалами показана на фиг. 35. На фиг. 36 приведена фотография такого лазера. В обоих вариантах лазеров, построенных фирмами Белл Телефон и Хьюз, вместо плоских зеркал использовались сферические зеркала с конфокальным расположением. Сферические зеркала позволяют значительно легче настраивать систему и обеспечивают большую эффективность в получении когерентного излучения (см. § 7). Перестройка положения зеркал в пределах нескольких угловых минут не приводит к заметному изменению выходной мощности. Величина полного изменения угла зеркала между точками, соответствующими уменьшению мощности вдвое по сравнению с максимальной, составляет около половины градуса.

Фиг. 35. Схема лазера на смеси гелия и неона с внешними конфокальными отражателями. 1 - сферическое зеркало; 2 - электрод; 3 - высокочастотный генератор

Расстояние между зеркалами этих лазеров обычно составляло 100 см. Максимальный коэффициент отражения зеркал для генерируемого излучения достигал 99%. Зависимость коэффициентов отражения и пропускания зеркал, применяемых в лазерах фирмы Белл Телефон, от длины волны показана на фиг. 37.

Фиг. 36. Лазер на смеси гелия и неона, разработанный в лаборатории фирмы Хьюз

Инверсная населенность по отношению к ряду уровней неона возникает в результате передачи возбуждения атомом гелия, находящимся в состоянии 2³S, атому неона, возбуждаемому на уровни 25. На фиг. 32 показаны соответствующие энергетические уровни гелия и неона. Следуя установившейся традиции, мы используем стандартные спектроскопические обозначения для уровней гелия и пашеновские обозначения для уровней неона. Как легко видеть из фиг. 32, разность между энергетическим уровнем 2³S атома гелия и уровнями 2s атома неона достаточно мала, что обеспечивает заметную вероятность перехода энергии возбуждения от атомов гелия к атомам неона. В то же время расстояние между уровнями 2³S гелия и 2р неона слишком велико и таким образом, резонансная передача энергии на уровни 2р при столкновении отсутствует. Время жизни на уровнях 25 определяется в основном излучательными переходами на уровни 2р и примерно на порядок превышает время жизни на уровнях 2р. Таким образом, инверсная населенность может быть получена по отношению к любому разрешенному переходу с уровней 2s на уровни 2р неона. Правилами отбора разрешены 30 переходов между этими уровнями. Подробный расчет, проведенный Костером и Статцем [50], показал, что 16 переходов дают заметную интенсивность излучения, изменяющуюся в относительных единицах от 1 до 14. Вынужденное излучение наблюдалось только на пяти линиях^*, которым соответствуют длины волн 1,118, 1,153, 1,160, 1,199 и 1,207 мк. Наиболее интенсивная генерация соответствует излучению с длиной волны 1,153 мк. Отсутствие части линий, рассчитанных Костером и Статцем, не может быть объяснено недостаточной разрешающей силой спектроскопа.

^* (В настоящее время генерация получена на 27 линиях неона, лежащих в диапазоне 0,6328-5,4087 мк (см. табл. 2 в конце книги).- Прим. ред.)

Фиг. 37. Коэффициенты отражения и пропускания зеркал, примененных в лазере лаборатории фирмы Белл Телефон

Как было отмечено, наиболее интенсивная генерация соответствует длине волны 1,153 мк (2,602*10¹⁴гц). Мощность излучения этой длины волны, согласно первоначальным сообщениям Джавана, составляла 15 мвт при мощности высокочастотного возбуждения на частоте 27-30 Мгц около 50 вт. В последующих публикациях сообщалось, что мощность группы линий, расположенных вблизи 1,153 мк, составляла от 1 до 4 мвт. Излучение происходит в непрерывном режиме и имеет интересное распределение по длинам волн, частично определяющееся возбуждением уровней неона, частично- интерферометром, образованным зеркалами.

Точные измерения Хериота [31] показали, что первоначальный вариант генератора, разработанного фирмой Белл Телефон, позволяет получить пучок излучения с расходимостью около 1 угловой минуты, если зеркала настроены строго параллельно друг другу. Пучок излучения, выходящий из лазера с конфокальными зеркалами, частично размыт к краям. Угловая расходимость его, если считать, что граница пучка соответствует точкам, где интенсивность уменьшается вдвое по сравнению с максимальной, приблизительно составляет 30 мин [70]. Применение ирисовой диафрагмы диаметром 2 мм, расположенной на расстоянии 3 см от зеркала лазера с конфокальным интерферометром, дает резко ограниченный пучок, расходимость которого уменьшается до 3 угловых минут. Эта расходимость определяется угловой расходимостью соответствующего типа колебаний интерферометра, определяемой формулой Бойда - Гордона [12] (7.18):

Эта формула применима в том случае, когда апертура пучка не слишком мала, так что дифракция существенно не искажает пучок.

При низких уровнях возбуждения излучение, выходящее из лазера с внешними зеркалами, плоско поляризовано, что является следствием избирательного действия окон трубки, которые обладают большим коэффициентом пропускания для определенной поляризации. Когда коэффициент усиления системы значительно больше того значения, которое соответствует порогу самовозбуждения, появляется также излучение с другой поляризацией. Аналогично в этом случае может возникнуть также ряд других типов колебаний (мод), между которыми возможно возникновение биений, что и наблюдалось в работе [35].

Фиг. 38. Форма и ширина линий в лазере

Генерация происходит на частоте, близкой к резонансным частотам интерферометра или резонатора, которые заключены в пределах ширины линии атома, так что им соответствует заметный коэффициент усиления. Это иллюстрируется фиг. 38, на которой показана "естественная" ширина атомной линии, фактическая ширина, обусловленная допплеровским уширением, и частотный спектр резонансных мод.

Основная часть мод, возникающих в конфокальной системе, подобна модам в системе с плоскими зеркалами (см. § 7). В самом простом случае аксиальных мод, или мод согласно Фоксу и Ли [24], расстояние по частоте между соседними резонансами т. е. где - резонансная частота, L - расстояние между зеркалами, n - число узлов в стоячей волне, которая возникает в интерферометре. Таким образом, при расстоянии между зеркалами в 1 м получим Так как допплеровская ширина линии составляет величину около 900 Мгц, то одновременно могут быть возбуждены несколько типов колебаний. Частота генерируемого излучения не совпадает точно с частотой, соответствующей центру резонансной кривой интерферометра, а несколько смещена в сторону максимума линии излучения атома.

Биения между ближайшими модами могут быть обнаружены с помощью фотоумножителя. Если бы существовали только аксиальные моды, то спектр представлял бы собой отдельные линии, расстояние между которыми было бы равно 150 Мгц для интерферометра длиной в 1 м. Однако имеются также и неаксиальные (или асимметричные) моды, возбуждение которых сильно зависит от настройки зеркал. В случае, когда например, существует неаксиальный тип колебаний, частота которого на 1,3 Мгц отличается от частоты аксиальной моды. Вследствие этого в спектре биений возникают дополнительные линии - спутники, расположенные на расстоянии 1,3 Мгц по частоте по обе стороны от главных линий. Это показано на фиг. 39, заимствованной из работы Хериота [31].

Фиг. 39. Спектр биений оптических частот. 1 - лазер; 2 - фотоэлемент; 3 - анализатор спектра

Ширина линии излучения лазера на смеси гелия и неона по величине на много порядков меньше, чем предельная степень разрешения лучших спектрометров и интерферометров, и, следовательно, обычные оптические инструменты непригодны для измерения ширины линии. Ширина линии может быть определена посредством измерения спектра биений различных мод в излучении генератора. Спектр биений может быть получен непосредственно с помощью фотоумножителя, на который падает излучение генератора, поскольку фотоумножитель представляет собой детектор, чувствительность которого имеет квадратичную зависимость от амплитуды поля, и, следовательно, его выходной сигнал содержит частоты биений. Первоначальные измерения, выполненные Джаваном и Хериотом [36, 31], дали значение ширины линии порядка 10-20 кгц. В действительности же ширина линии значительно меньше. Однако измерение истинных величин является весьма сложной задачей, поскольку незначительное изменение расстояния между зеркалами приводит к сдвигу линий. Таким образом, различные механические вибрации и тепловые флуктуации модулируют частоту излучения генератора. К счастью, внешнее воздействие на две различные моды генератора совершенно аналогично, и это в значительной степени компенсирует влияние внешних условий на спектр биений. Степень компенсации сильно зависит от положения частот этих двух различных мод по отношению к частоте центра линии атомного перехода. Как уже было замечено ранее (см. § 7), в режиме генерации частота какой-либо моды интерферометра смещается в направлении центра линии атомного перехода . Величина смещения частоты представляет собой нелинейную функцию разности частот и частоты моды интерферометра. Следовательно, изменение расстояния между зеркалами будет по-разному воздействовать на различные моды. Таким образом, частота биений также будет зависеть от расстояния между зеркалами, если только специально не производилась настройка резонатора, чтобы скомпенсировать сдвиг частоты рассматриваемых мод. Другая причина изменений частоты биений нестабильность газового разряда. С помощью сверхстабильного разряда и тщательной настройки резонатора для компенсации сдвига частот различных мод Джаван, Балик и Бонд [35] получили стабильность выше 2 гц в течение нескольких секунд. Это соответствует относительной степени монохроматичности излучения генератора лучшей 1*10^-14.

Фиг. 40. Смешение излучения двух лазеров (согласно Джавану, Балику и Бонду). 1 - автоколлиматор; 2 - фотоумножитель; 3 - анализатор спектра; M₁ - полупрозрачная пластинка; M₂ - зеркало

Те же авторы изучали частотную стабильность лазера на смеси гелия и неона посредством наблюдения спектра биений при смешении излучения двух различных лазеров. Чтобы получить этот спектр, необходимо направить оба пучка света от разных лазеров на одну площадку фотокатода так, чтобы фронты волн обоих пучков были параллельны. Это достигалось применением системы зеркал, изображенной на фиг. 40.

Эксперименты показали, что относительный дрейф частоты составлял всего лишь 2*10^-9 в течение 100 сек, а воспроизводимость частоты 4*10^-8. Это говорит о том, что газовые лазеры могут быть использованы как стандарты длины и приборы для измерения небольших изменений расстояний.