Исследование гелий-кадмиевого лазера (лабораторная работа), страница 4

В He–Cd-лазерах, как и в He–Ne-лазерах, низок КПД АС – эффективность преобразования энергии возбуждения АС (порядка 20 эВ) в энергию квантов индуцированного излучения hν (см. рис. 1.1). Оптимальные Te, характерные для He–Cd-разряда, имеют порядок 8·104 К и предопределяют низкий электронный КПД в процессе передачи энергии атомам He, возбуждаемым на уровни с энергией 20…21 эВ. Электрические характеристики тлеющего разряда, используемого в He–Cd-лазерах, определяются в основном свойствами и давлением буферного газа – гелия. В рабочем режиме Ez и определяемое им падение напряжения на разряде  уменьшаются не более чем на 10…15 % по сравнению с разрядом в чистом He.  Гелий-кадмиевые лазеры могут генерировать когерентную мощность до 50...100 мВт (λ = 441 нм) при КПД одного порядка с гелий-неоновыми лазерами (10– 4... 10– 5).

В газоразрядных и, в частности, в He–Cd-лазерах флуктуации тока  могут приводить к модуляции усиления и, как следствие, к модуляции мощности излучения Р. С ростом частоты F колебаний тока глубина модуляции излучения  mP = Pm / P0 падает. Это обусловлено, в первую очередь, инерционностью процесса накачки активной среды – конечностью времени жизни t2 верхнего лазерного уровня: чем больше t2, тем меньше граничная частота Fгр колебаний тока, которые еще могут заметно модулировать излучение лазера.

Собственные колебания тока разряда определяются многообразием процессов взаимодействия частиц в плазме, а также взаимодействием внешней электрической цепи и разряда в целом. К числу таких колебаний относятся реактивные (релаксационные) колебания, страты, колебания двойного слоя и катодные колебания. Реактивные колебания (десятки - сотни килогерц) проявляются  при малых, предобрывных токах разряда, соответствующих большой крутизне падающей вольт-амперной характеристики разряда и усиливаются при возрастании паразитной емкости “катод - анод”. Страты, или слоистые колебания, обусловлены несовпадением по длине разряда максимумов ионизации и возбуждения атомов. В результате возникают пространственные слои (ионизационные волны) с повышенной концентрацией либо ионов, либо возбужденных атомов. Слои, как правило, перемещаются с большой скоростью вдоль оси разряда, образуя бегущие страты, усиливающиеся от катода к аноду. Страты не только модулируют ток и излучение во времени, но и делают разряд пространственно неоднородным. В He–Cd-лазе-ре чаще присутствуют не регулярные страты – колебания на одной частоте, а шумовые, спектр которых включает большое число гармоник. Разностные частоты гармоник попадают в низкочастотную область (до 80...100 кГц) и сильно модулируют когерентное излучение с амплитудами Pm от единиц до десятков процентов, формируя спектр вида 1/F. В He–Cd-разряде условия, обеспечивающие максимальное усиление активной среды, одновременно являются благоприятными и для существования интенсивных страт. Колебания двойного слоя в местах резкого изменения диаметра разрядного промежутка и катодные колебания сами по себе слабо модулируют ток, но могут инициировать возникновение страт. Относительный вклад собственных колебаний разряда в модуляцию лазерного излучения всегда падает с ростом превышения усиления в активной среде над потерями в оптическом резонаторе.

Собственные колебания  разряда можно ослабить соответствующим подбором геометрии, наполнения и тока. В He–Cd-лазере снижение уровня флуктуаций мощности излучения возможно в режиме  внешней модуляции тока на частоте Fmax (в области спектрального максимума шумовых страт) или на кратных ей частотах. В результате принудительной  синхронизации страт в спектре колебаний P остается одна гармоника и как следствие исчезает модуляция мощности излучения в низкочастотной области биений нерегулярных страт. Колебания мощности излучения на частоте внешней модуляции оказываются незначительными, поскольку обычно Fmax > Fгр. Внешняя синхронизация нерегулярных страт в He–Cd-лазерах приводит одновременно и к резонансному повышению уровня средней мощности P генерации, что обусловлено формированием пространственно более однородной АС с условиями усиления, близкими к оптимальным.