Laseri Ionici

Partea I. Laseri ionici

Introducere

Laserii ionici reprezintă una din cele mai importante surse de radiaţie coerentă în spectrul vizibil şi ultraviolet.

La realizarea inversiei de populaţie participă nivele energetice din spec¬trul atomilor simplu sau multiplu ionizaţi. Nivelul laser superior corespunde aproximativ la dublul potenţialului de ionizare al unui atom neutru, rezultând o extindere a scalei energetice. În consecinţă, laserii ionici emit în regiunea vizibilă şi ultravioletă a spectrului, dar în cazuri particulare s-au obţinut lungimi de undă şi în infraroşul apropiat.

Oscilaţia laser într-un ion gazos a fost observată mai întâi în mercur simplu ionizat - Hg II - înregistrându-se tranziţii în spectrul verde, por¬tocaliu şi infraroşu. Această descoperire a demonstrat potenţialul laserilor ionici în ceea ce priveşte puterea de vârf, câştigul ridicat şi funcţionarea la lungimi de undă mici.

Aproape simultan s-a pus în evidenţă emisia laser în Ar II, Kr II şi Xe II, care a acoperit întreg spectrul vizibil. Cercetările au progresat rapid şi s-au observat tranziţii laser în atomi multiplu ionizaţi (Hg III) şi emisia laser în undă continuă (Ar, II, Kr II, Xe II). Numeroase linii laser au fost înregistrate de la ionii atomilor de azot, oxigen, carbon, iod, clor etc., spectrul de emisie întinzându-se şi în ultraviolet. Cercetări în domeniul laserilor ionici au început imediat şi în ţara noastră, realizându-se cu succes laserul cu argon ionizat.

Laserii ionici, utilizând 32 de elemente chimice diferite, emit peste 400 de lungimi de undă în domeniul spectral 0,2358 - 1,555 µm. Impor¬tanţa practică deosebită a acestor laseri rezultă din câştigul optic deosebit de ridicat, peste 1 dB/m, sau chiar 13 dB/m în argon, ceea ce face ca oscilaţia laser să se obţină chiar cu componente optice de calitate medie.

Dintre laserii ionici, cea mai mare dezvoltare au căpătat-o laserii cu gaze nobile, care, datorită inerţiei lor chimice, simplifică aspectele tehnolo¬gice ale realizării practice. Laserul cu argon ionizat este cel mai bine studiat şi constituie exemplul tipic al acestei clase de laseri.

I.1. Laserul cu argon ionizat

Mecanismele de excitare întâlnite în laserul cu argon ionizat sânt sche¬matizate în figura 1. În descărcarea laserului cu argon, aproximativ 1 % din atomi sânt ionizaţi. Aceşti atomi, ciocnindu-se cu electroni cu ener¬gia medie de 2 - 4 eV, produc stări ionice excitate. Secţiunile transversale de excitare şi timpii de viaţă radiativi ai nivelelor laser superior şi respectiv inferior (t = 7 — 10 ns şi respectiv ~ 0,3 ns) au astfel de valori încât contribuie la realizarea unei inversii de populaţie, care produce câştig optic şi efect laser.

Fig. 1 — Schemele de excitare ale nivelului superior 4p din lase¬rul cu argon ionizat:

(a) excitare prin ciocniri electronice cu starea fundamentală a ionului;

(b) excitare prin ciocniri electronice cu starea fundamentală a atomului;

(c) excitare cu contribuţia stă¬rilor metastabile ale ionilor;

(d) excitare prin cascade radiative de pe nivele superioare.

Primul model de excitare a nivelului laser superior 4p (fig. 1 a), pro¬pus de Gordon şi al. [116], presupune ciocnirea între un electron şi un ion în starea fundamentală (procesul 1). Nivelul laser inferior 4 s este depopulat radiativ (λ = 74 nm) mult mai rapid decât excitarea acestui nivel prin ciocniri cu electronii (linie întreruptă). Dezexcitarea radiati vă pe starea fundamentală a atomului ionizat este urmată de recombinarea cu un electron şi formarea atomului neutru.

În acest model, se neglijează excitarea prin cascade radiative de la nivele superioare şi dezexcitarea nivelului laser superior de către electroni, se presupune neutralitatea sarcinilor în plasmă şi o temperatură electronică independentă de curent. Aşadar, laserul cu argon, excitat într-o descărcare la presiune coborâtă în argon pur, nu are un mecanism de excitare selectiv, dar posedă un raport favorabil între timpii de viaţă ai nivelelor laser superior şi respectiv inferior. Acest ultim aspect este datorit faptului că nivelul laser superior, având aceeaşi paritate cu nivelul fundamental al ionului de argon, nu este legat de acesta prin tranziţii permise optic, ci numai de nivelul laser inferior sau de alte nivele vecine pare. Spre deosebire de acesta, nivelul laser inferior este legat de nivelul fundamental ionic prin tranziţii permise puternice, din regiunea spectrală ultraviolet în vid.

Rezultă că populaţia nivelului laser superior N2 este proporţională cu

unde ne, ni şi j sânt densitatea electronică, densitatea ionică şi respectiv den¬sitatea curentului de descărcare. Dependenţa pătratică de j a populaţiei nive¬lului 4p a fost demonstrată într-un domeniu larg de condiţii experimentale, prin măsurători de emisie spontană. Pentru ca acest proces să fie eficient, este necesară o densitate de curent mare, mult mai mare decât în cazul unui laser cu atomi neutri (de exemplu He-Ne).

Schema din figura 1 (b), propusă de Bennett şi al. implică cioc¬nirea cu un singur electron şi deci populaţia nivelului laser superior este direct proporţională cu densitatea curentului de descărcare, ceea ce nu se observă experimental la funcţionarea în undă continuă. Pentru a realiza excitarea într-o singură treaptă, este necesară o temperatură electronică ridicată şi deci o descărcare cu o valoare E/p foarte mare (1000 V/cm * torr). Acest pro¬ces de excitare se întâlneşte în descărcările la presiune coborâtă, excitate cu impulsuri scurte (20 - 200 ns). Distribuţia spectrală a fasciculului laser în cele două cazuri de excitare diferă considerabil. La excitarea în două trepte, laserul cu funcţionare în undă continuă emite predominant liniile cu lungimile de undă 488 şi 514,5 nm, pe când la excitarea pulsată într-o singură treaptă, cea mai puternică linie se găseşte la 476,5 nm.

Un alt proces de excitare, propus de Labuda şi al. şi prezentat în figura 1 (c), ia în consideraţie stările metastabile ionice ca stări interme¬diare. Acest model este susţinut de măsurătorile de absorbţie care arată că stările menţionate sânt puternic populate, fie prin ciocniri electronice cu starea ionică fundamentală (procesul 1) fie, mai probabil, prin cascadă de la stări superioare (procesul 2). Populaţia nivelului metastabil este proporţională cu j şi nu cu j2 cum arată măsurătorile de emisie spontană, deoarece aceste stări sânt dezexcitate în primul rând prin ciocniri electronice şi nu prin emisie spontană. Nivelul laser superior este populat printr-o altă ciocnire electronică (procesul 3), astfel că populaţia N2 este proporţională cu j2, ca şi în primul caz.

Ultimul proces de excitare, arătat în figura 1 (d), se bazează pe măsu¬rătorile efectuate de Rudko şi Tang, precum şi Bridges şi al. Aceşti autori au găsit că o fracţie importantă din populaţia nivelului laser superior provine din cascade radiative de la stări superioare (23 - 50% din populaţia nivelului laser superior 4p2D5/20 pentru tranziţia 488 nm). Populaţia stări¬lor superioare fiind proporţională cu j2, aceeaşi dependenţă rezultă şi pentru nivelul laser superior.