К. Рожэ, Л. Чиллаг, М. Яноши, Т. Саламон

ИССЛЕДОВАНИЕ   ГЕЛИЙ-КАДМИЕВОГО   ИОННОГО   ЛАЗЕРА  С   ПОЛЫМ   КАТОДОМ

Использование разрядных трубок с полым катодом позволило наблюдать в лазерах на парах металлов [1,2] большое число новых линий генерации в непрерывном режиме работы лазера. Генерация на многих из этих линий отсутствует в положительном столбе разряда газовых лазеров и может наблюдаться только в импульсном режиме. В области же свечения отрицательного столба, вследствие присутствия быстрых электронов, ускоренных полем катодного падения потенциала, ионный спектр довольно сильный. Большая часть лазерных линий возбуждается в этом случае путем передачи заряда при столкновении ионов инертного газа с атомами металлов [3—6].
С другой стороны, лазеры с полым катодом имеют свои недостатки. Так, например, необходимо поддерживать однородный разрядный ток вдоль трубки, в процессе разряда катод разогревается из-за высокой плотности тока, что приводит к неопределенности в температуре паров металла, используемого для работы лазера и т. д. По этой причине первые исследования носили только качественный характер и ограничивались лишь констатацией факта генерации на различных линиях.
Совсем недавно были опубликованы работы, в которых описана улучшенная лазерная система с полым катодом и сообщаются результаты измерений интенсивности лазерных линий как функции различных лазерных параметров [7—9]. Ниже описывается новая разрядная трубка, которая оказалась весьма подходящей для такого рода исследований.
Сначала опишем конструкцию лазерной трубки, а затем приведем результаты наших экспериментов по исследованию влияния разрядного тока, давления Не и концентрации Cd на интенсивность ионных лазерных линий в Не — Cd-плазме при изменении этих параметров в широких пределах. Основное внимание было уделено зеленой линии 537,8 нм.
Схема лазерной трубки показана на рис. 1. Внутри пирексовой трубки на керамическом основании помещался щелевой полый катод шириной 4 мм и длиной 50 см, выполненный из нержавеющей стали. Лазер имел 21 анод, аноды соединялись друг с другом через сопротивления 270 Ом для того, чтобы обеспечить однородность разряда вдоль трубки.

Рис. 1. Конструкция лазерной трубки с полым катодом:
1 — катод
2 — керамическое основание
3 — аноды
4 — печи
5 — пирексовая трубка.

Металлический кадмий испарялся в двух печах, и его пары диффундировали в катодную область. Сама трубка нагревалась только разрядным током — этого достаточно, чтобы температура в трубке была выше, чем в печах. Поэтому давление паров кадмия в трубке определялось температурой печи. Два охлаждаемых водой конца трубки предохраняли брюстеровские окна от оседания на них паров металла. Трубка питалась от однопериодного выпрямителя с частотой 50 Гц, что позволяло работать в широкой области изменения разрядного тока без перегрева трубки. В этом случае измерения можно было провести на всех лазерных линиях при высоком оптимальном токе. Лазерная генерация, наблюдалась на четырех переходах Cd ( II): 441,6, 533,7, 537,8 и 636,0 нм. Для снятия зависимости интенсивностей, лазерных линий от разрядного тока использовался двухлучевой осциллограф. На рис. 2 представлены типичные осциллограммы.

Рис. 2. Осциллограммы двух лазерных линий при λ = 537,8. нм, р_не = 18 мм рт. ст., I_max = 4,8 А (а) и λ = 636,0 нм, р_не = 14 мм рт. ст. I_max = 4,4 А (б). Верхняя кривая —лазерная линия, нижняя — разрядный ток.

На рис. 3 приведена зависимость интенсивностей четырех указанных линий от величины разрядного тока. Линия 533,7 нм имеет ту же самую зависимость при давлении 20 мм рт. ст., что и линия 537,8 нм, и поэтому она не исследовалась при более высоких давлениях.

Рис. 3. Зависимость интенсивности / от разрядного тока j для лазерных линий:
537,8 нм при 36 мм рт. ст., 520° С (1)
537,8 нм при 19 мм рт. ст., 450° С (2)
441,6 нм при 16 мм рт. ст., 400° С (3)
636,0 нм при 12 мм рт. ст., 400° С (4).

Генерация на зеленых линиях начиналась всегда одновременно при использовании зеркал с высоким коэффициентом отражения на длине волны 535,0 нм. Синяя и красная линии генерировали только с зеркалами, специально предназначенными для этих длин волн. Одновременную генерацию этих линий при использовании зеркал с широкой полосой коэффициента отражения получить не удалось.
На рис, 4 показана зависимость интенсивности двух линий Cd (II) от давления Не. Линия 537,8 нм имеет практически постоянную мощность излучения в диапазоне изменения давления Не от 14 до 40 мм рт. ст.

Рис. 4. Зависимость интенсивности от давления Не для линии 441,6 нм при 3,9 А, 400° С (1) и линии 537,8 нм при оптимальных для нее токе и температуре (2).

Следует отметить, что с увеличением давления оптимальный ток значительно уменьшается (рис. 5), в то время как оптимальная температура медленно увеличивается (рис. 3).

Рис. 5. Зависимость оптимального тока для линии 537,8 нм от давления Не. Температура печи 500° С.

Следует также указать, что зависимость интенсивности линии 537,8 нм от тока становится все более крутой с увеличением давления. Чтобы выяснить физическую причину насыщения лазерной мощности на зеленой линии, измерялась интенсивность спонтанного излучения с торца трубки.
Из рис. 6 видно, что при значениях тока выше оптимального для генерации интенсивность спонтанной линии все еще увеличивается. Это говорит о том, что насыщение лазерной мощности связано с увеличением населенности нижнего лазерного уровня.

Рис. 6. Зависимость интенсивности спонтанной (1) и лазерной (2) линий от тока разряда (537,8 нм, 18 мм рт. ст., 450° С).

Измеренная оптимальная температура печи является слишком высокой. Это указывает на то, что проблему точного определения концентрации Cd в катоде еще предстоит решать. Наши значения температур следует рассматривать только как ориентировочные, позволяющие сопоставлять измерения. Нами планируются дальнейшие исследования Не—Cd ионного лазера с полым катодом, а также исследования других лазеров на парах металлов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. W. К. Schubel. Apll. Phys. Letts, 16, 470 (1970).

2. Y. Sugavara, Y. Tоkiwа, Т. Iijima. Japan. J. Appl: Phys., 9, 1537   (1970).

3. R.C. Jensen, G.J. Collins, W.R. Bennett., Phys , Rev. Letts, 23, 363  (1969).

4. A.J. Paimer. J. Appl. Phys., 41, 3906 (1970).

5. С.E. Webb, A.R. Turner- Smith, J.M. Green. J. Phys., B3, 134  (1970).

6. G.J. Collins, R.C. Jensen , W.R. Bennett. Appl. Phys. Letts, 19, 125  (1970).

7. J.A. Piper, G.J. Сollins, С.E. Webb. Appl Phys. Letts, 21, 203 (1972).

8. J.A. Pipeг, С.E. Webb. J. Phys., D6, 400 (1973).

9. J.A. Piper, С.E. Webb. J. Phys., B6, 116 (1973).