Создание инверсии населенностей в гелий-неоновом лазере

В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населенностей создается в электрическом разряде. Такие газовые лазеры называются газоразрядными. Рабочей средой для гелий-неонового лазера служит газоразрядная плазма обычно типа плазмы тлеющего разряда, образующаяся в результате прохождения электрического тока через смесь инертных газов гелия и неона и усиливающая излучение на переходах в атоме неона. В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно, хотя и возможно, о чем далее еще будет сказано. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа гелия как донора энергии возбуждения.

Для понимания процессов, происходящих в гелий-неоновом лазере, необходимо знание энергетики атомов. На рис.3 показана совместная схема энергетических уровней атомов гелия (He) и неона (Ne) при учете только самых нижних и в то же время наиболее важных уровней (см. также для сравнения схемы уровней и обозначения уровней в методических указаниях к работам ''Спектр щелочного атома'' и ''Эффект Зеемана''). Атом гелия является вторым в периодической системе химических элементов Менделеева (далее для краткости в таблице Менделеева). По сравнению с наиболее простым атомом водорода, являющимся первым в таблице Менделеева и имеющим помимо положительно заряженного ядра только один электрон, атом гелия имеет вдвое больший положительный заряд ядра (величина заряда ядра атома определяется произведением номера атома в таблице Менделеева на элементарный заряд) и как электрически нейтральная частица имеет два отрицательно заряженных электрона. Однозарядный ион гелия (He⁺), у которого оторван один электрон, является водородоподобным ионом. Состояние единственного электрона в ионе He⁺ может быть описано, как и в атоме водорода, при помощи четырех квантовых чисел: главного квантового числа ( =1, 2, 3, …), орбитального квантового числа

Рис.3. Схема энергетических уровней атомов гелия и неона. Цифры около уровней показывают значения энергии в эВ, отсчитанные от основного уровня атомов. Схема возбужденных уровней для атома Ne отражена схематически – каждый изображенный уровень условно представляет систему из 4 или 10 тесно расположенных реальных уровней (подуровней). Около каждого условного уровня показана переменная часть электронной конфигурации атома Ne, а также приведены значения наибольшей (над уровнем) и наименьшей (под уровнем) энергий уровней в системе подуровней. Справа от уровней приведены значения энергии подуровней, которые соответствуют излучательным лазерным переходам А, Б и В. Для конфигураций 2р⁵ 4 s и 2р⁵ 5 s эти значения энергии являются максимальными для системы подуровней. Прерывистые стрелки отражают столкновительные процессы с изменением энергии атомов. Сплошные стрелки отражают излучательные переходы в атоме Ne.

( =0, 1, 2, …, -1), орбитального магнитного квантового числа ( =0, ±1, ±2, …, ± ) и принимающего только два значения спинового магнитного квантового числа =+1/2 или =-1/2. Основное состояние иона He⁺, как и основное состояние атома водорода, характеризуется квантовыми числами =1, =0, =0 и =+1/2 или =-1/2. Добавление второго электрона превращает ион He⁺ в нейтральный атом He, который является первым многоэлектронным атомом в таблице Менделеева. Надо иметь в виду, что при качественном рассмотрении строения электронных оболочек многоэлектронных атомов принято пренебрегать взаимодействием электронов между собой. Это позволяет приближенно приписать каждому электрону свой индивидуальный набор указанных квантовых чисел. Также необходимо учитывать, что для любого коллектива электронов и соответственно для электронов в многоэлектронных атомах справедлив принцип Паули: два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, т.е. в атоме не могут существовать два электрона, все квантовые числа которых равны (см. § 52 в [1]). При учете принципа Паули второй электрон в атоме He может иметь также значения =1, =0, =0, но при этом обязательно должен иметь другое значение (+1/2 или -1/2), что возможно. При разных спиновые механические моменты отдельных электронов оказываются направленными в противоположные стороны, в результате чего общий (суммарный) спиновый механический момент оказывается равным нулю. Электроны, имеющие одинаковые квантовые числа и , принято называть эквивалентными – при =0 их обозначают маленькой буквой (при =1 – маленькой буквой , при =2 – маленькой буквой и т.д.). В итоге атом He в основном (невозбужденном) состоянии имеет электронную оболочку, состоящую из двух -электронов. Ее обозначают при =1 как 1 (в общем случае как ), где цифра 2 справа вверху указывает на количество эквивалентных электронов. Такая электронная оболочка является замкнутой, поскольку она не допускает добавления новых электронов. Она обладает нулевыми суммарными механическими (также магнитными) орбитальным, спиновым и общим моментами, которые принято задавать соответственно через квантовые числа , , (используются большие буквы), принимающие для оболочки 1 значения =0, =0 и =0. Замкнутость электронной оболочки 1 обуславливает химическую инертность атомов гелия.

На рис.3 энергетический уровень, соответствующий основному состоянию атома He, обозначен как 1 s ^{2 1}S₀. При таком обозначении сначала указывается электронная конфигурация атома с указанием всех содержащихся в ней разных электронов или наиболее важной внешней части электронов, а далее дается обозначение уровня в приближении –связи (связи Рассела-Саундерса) в виде ¹S₀. В обозначении ¹S₀ слева вверху указана задаваемая через спиновое квантовое число мультиплетность уровня 2 +1, равная 1 при =0. Справа внизу указано значение ( =0 в данном случае). Центральная буква отражает значение : при =0 ставится большая буква (не путать эту букву со спиновым квантовым числом , которое используется при задании мультиплетности уровня), при =1 ставится большая буква , при =2 ставится большая буква и т.д. Напомним, что в приближении –связи сначала по отдельности рассматриваются как векторные величины общие орбитальный и спиновый механические моменты (моменты количества движения) всех электронов. Характеристикой орбитального механического момента является квантовое число , характеристикой спинового механического момента - квантовое число . Далее рассматривается полный механический момент , характеристикой которого является квантовое число .

На рис.3 также показаны два первых возбужденных уровня атома He. Их обозначения 1 2s ¹S₀ (энергия 20.62 эВ) и 1 2s ³S₁ (энергия 19.82 эВ) даны в приближении –связи, которая, как показывают экспериментальные исследования спектров излучения и поглощения, для атома гелия в целом является достаточно хорошей. Все приводимые значения энергии уровней отсчитываются от энергии основного уровня атомов, которая полагается равной нулю. Этим уровням соответствует электронная конфигурация 1 2 , что означает, что в возбужденном атоме He одному из -электронов соответствует =2. Оба электрона имеют одинаковые =0 и =0, что дает =0, но имеют отличающиеся . Теперь возможны две разные комбинации . Уровень 1 2 s ¹S₀ соответствует случаю, когда для обоих электронов имеют разные знаки, как и для основного уровня. Для таких уровней спиновое квантовое число =0 и мультиплетность 2 +1=1 – их называют синглетными. Уровень 1 2 s ³S₁ соответствует случаю, когда для обоих электронов значения являются одинаковыми, т.е. спиновые механические моменты электронов направлены в одну сторону. Для них =1 и мультиплетность 2 +1=3 – их называют триплетными. Для триплетного уровня 1 2 ³S₁ квантовое число = =1 при =0.

Атом неона является по номеру десятым в таблице Менделеева. Атом Ne имеет в 10 раз больший положительный заряд ядра по сравнению с зарядом ядра атома водорода и соответственно, как электрически нейтральная частица, имеет десять отрицательно заряженных электронов. Согласно принципу Паули основному (невозбужденному) состоянию атома Ne соответствует электронная конфигурация 1 2 2 . Первые два электрона этой конфигурации имеют =1 и образуют замкнутую оболочку 1 из -эквивалентных электронов, как в невозбужденном атоме He. Последующие электроны теперь имеют =2, =0 или =1 и образуют электронную конфигурацию 2 2 , в которой опять два -электрона с =0 образуют новую замкнутую оболочку 2 . При =2 следующие добавляемые электроны должны иметь =1, = − 1, 0, +1 и =±1/2. Электронов с разным набором и при одном и том же и =1 может быть только 6 – они опять образуют замкнутую оболочку 2 теперь из шести -эквивалентных электронов. Электронная конфигурация 1 2 2 не допускает добавления новых электронов с =1 и =2, что обусловливает химическую нейтральность атомов неона.

На рис.3 энергетический уровень, соответствующий основному состоянию атома Ne, обозначен как 1 2 2 ¹S₀ при учете того обстоятельства, что электронная конфигурация 1 2 2 характеризуется квантовыми числами =0, =0 и =0, как и для атома He. Возбужденные состояния атома Ne возникают при возбуждении одного из -эквивалентных электронов. При взаимодействии этого электрона, у которого теперь 3, с остовом атома Ne, электронная конфигурация которого 1 2 2 без одного -электрона приобретает ненулевые механические орбитальный, спиновый и полный моменты и в итоге характеризуется квантовыми числами =1, =1/2 и =1/2 или 3/2, возникает сложная система энергетических уровней, состоящая из групп тесно расположенных энергетических уровней, между которыми возможны многочисленные спектральные переходы. Экспериментальные исследования спектров показали, что для атома Ne наблюдается сильное отступление от –связи, поэтому рассматриваются также другие приближения, например, противоположное –связи приближение -связи. В этом приближении сначала для каждого отдельного электрона в незамкнутых электронных оболочках находится полный механический момент как сумма орбитального и спинового моментов электрона, характеристикой которого является квантовое число (см. методические указания к работе ''Спектр щелочного атома''). Далее складываются полные моменты отдельных электронов и находится полный механический момент всей электронной конфигурации, характеристикой которого является квантовое число .

На рис.3 для атома Ne показаны также наиболее важные низколежащие возбужденные энергетические уровни, которые только схематически отражают сложную энергетическую картину данного атома. Возбужденные энергетические уровни атома Ne соответствуют разным переменным электронным конфигурациям 2 3 , 2 4 , 2 5 (один -эквивалентный электрон стал -электроном с =3, 4 или 5) и 2 3 и 2 4 (один -эквивалентный электрон стал -электроном с =3 или 4) – здесь везде не указана общая для всех уровней постоянная часть электронной конфигурации 1 2 . Каждой 2 ( 3) конфигурации атома соответствуют четыре близко расположенных энергетических уровня с разными значениями энергии. Для конфигурации 2 3 значения энергии разных уровней лежат в пределах 16.62 эВ – 16.85 эВ, для конфигурации 2 4 - в пределах 19.66 эВ – 19.78 эВ, для конфигурации 2 5 - в пределах 20.56 эВ – 20.66 эВ. Каждой 2 ( 3) конфигурации соответствуют десять близко расположенных энергетических уровней с разными значениями энергии. Для конфигурации 2 3 значения энергии разных уровней лежат в пределах 18.38 эВ – 19.87 эВ, для конфигурации 2 4 - в пределах 20.15 эВ – 20.37 эВ. Эти граничные значения энергии указаны на рис.3 вблизи схематически представленных возбужденных уровней атома неона.

Для более полного понимания энергетики атомов He и Ne на рис.3 для каждого атома показан уровень энергии, при котором происходит однократная ионизация атома, т.е. отрыв одного из внешних электронов атома ( -электрона основной конфигурации в случае Не и -электрона основной конфигурации в случае Ne). При возбуждении атома до такого соответствующего энергетического уровня возбуждаемый электрон в атоме имеет возможность удалиться от ядра атома настолько далеко, что он фактически оказывается оторванным от атома. При этом нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион – Не⁺ для атома Не и Ne⁺ для атома Ne. Соответствующие энергии, являющиеся предельными энергиями для возбуждения атомов и минимальными для ионизации атомов из основного состояния, являются важными энергетическими характеристиками атомов – их принято называть энергиями ионизации атомов. Для атома He энергия ионизации при отрыве одного электрона равна 24.59 эВ, для атома Ne соответствующая энергия ионизации равна 21.56 эВ. Отметим также, что ряд возбужденных уровней в атомах He и Ne являются метастабильными – с них невозможны прямые излучательные спектральные переходы с рождением фотонов на все нижележащие уровни, включая основной уровень, так как при этом были бы нарушены правила отбора при переходах (правила отбора для важных наиболее интенсивных переходов в дипольном приближении рассмотрены в методических указаниях к работе ''Эффект Зеемана''). Атом, оказавшийся на метастабильном уровне, может долго находиться в возбужденном состоянии. В атоме He такими метастабильными уровнями являются рассмотренные выше возбужденные уровни 1 2 s ³S₁ и 1 2 s ¹S₀. Излучательный переход с уровня 1 2 s ³S₁ на основной уровень 1 s ^{2 1}S₀ невозможен из-за нарушения правил отбора по квантовому числу (требуется =±1) и по квантовому числу (требуется =0). Излучательный переход с уровня 1 2 s ¹S₀ на основной уровень 1 s ^{2 1}S₀ невозможен из-за нарушения правил отбора по квантовому числу (требуется =±1) и квантовому числу (уровень с =0 не комбинирует с уровнем с =0). Излучательный переход с уровня 1 2 s ¹S₀ на уровень 1 2 s ³S₁ невозможен из-за нарушения правил отбора по квантовому числу (требуется =±1) и по квантовому числу (требуется =0).

У атома Ne по отношению к основному уровню 1 2 2 ¹S₀ метастабильными свойствами обладают важные энергетические уровни конфигурации 2 3 . Из четырех уровней конфигурации действительно метастабильными из-за запретов по являются только два уровня. С двух других уровней на основной уровень происходят излучательные переходы на длинах волн 73.6 нм и 74.38 нм. Рождающееся излучение с переходом атомов в основное состояние является резонансным для атомов неона. Резонансным оно называется потому, что атомы неона в естественном, т.е. невозбужденном состоянии, сильно его поглощают. Поэтому среда из атомов неона в He-Ne-лазере, которая практически состоит из находящихся в основном состоянии атомов, обладает для этого излучения очень большим коэффициентом поглощения. Рождающиеся фотоны снова поглощаются атомами неона в основном состоянии, переводя их опять в возбужденные состояния с конфигурацией 2 3 . В итоге фотоны как бы ''запираются'' в коллективе атомов неона. В этом случае говорят о пленении излучения. Пленение резонансного излучения противодействует уменьшению количества возбужденных атомов неона с конфигурацией 2 3 за счет действия излучательных переходов.

Рассмотрим теперь наиболее важные элементарные процессы взаимодействия (столкновений) разных частиц и излучательные переходы в атомах в активной среде гелий-неонового лазера. Наиболее важные излучательные переходы в атомах Ne, на одном из которых обычно происходит лазерное излучение, обозначены на рис.3 буквами ( =3.394 мкм; энергия верхнего уровня =20.66 эВ, энергия нижнего уровня =20.30 эВ), ( =0.6328 мкм; =20.66 эВ, =18.70 эВ) и ( =1.152 мкм; =19.78 эВ, =18.70 эВ). Для возникновения лазерного излучения на этих длинах волн необходимо создание инверсии населенности между уровнями атома неона с электронными конфигурациями 2 5 и 2 4 и уровнями атома неона с конфигурациями 2 4 и 2 3 . Для этого необходимо создание условий для эффективного возбуждения уровней в атомах неона с высокой энергией порядка 20 эВ и инициирования различных важных процессов, в первую очередь возбуждения и ионизации атомов гелия, для чего необходимо сообщить атомам гелия также высокую энергию порядка 20 эВ-25 эВ. Такие условия реализуются в плазме тлеющего разряда.

Тлеющий разряд является самостоятельным электрическим газовым разрядом с холодным катодом, происходящим в газе низкого давления при малом токе. В случае гелий-неонового лазера тлеющий разряд происходит в смеси гелия и неона в газоразрядной трубке с внутренним диаметром ~(0.5-1) см при общем давлении газа ~1 мм рт. ст., токе ~25 мА - 50 мА, отношении парциальных давлений гелия и неона 5-10 ( =5-10, где – концентрация атомов гелия, – концентрация атомов неона). Активной средой лазера является плазма, состоящая из смеси нейтральных атомов гелия и неона и заряженных частиц – отрицательно заряженных электронов с концентрацией ~10¹¹ см^-3 на оси разряда и положительно заряженных ионов Нe⁺ и Ne⁺. Электроны и ионы ускоряются электрическим полем разряда (электроны – к аноду, ионы – к катоду) и приобретают кинетическую энергию. При низком давлении газа ~1 мм рт. ст. средняя длина свободного пробега заряженных частиц является настолько большой, что на индивидуальном свободном пробеге под воздействием электрического поля они могут приобретать большую кинетическую энергию в несколько десятков эВ. При упругих соударениях с атомами и ионами электроны теряют очень малую часть кинетической энергии из-за их малой массы по сравнению с массой атомов и ионов. При упругих столкновениях электронов между собой происходит эффективный обмен энергией из-за одинаковости масс электронов, в результате чего устанавливается некоторое распределение электронов по кинетической энергии с довольно большим средним значением энергии (об упругих и неупругих столкновениях электронов с атомами сказано в методических указаниях к работе ''Опыты Франка и Герца''). В результате плазме гелий-неонового лазера может быть приписана довольно большая электронная температура =50000 К – 80000 К согласно формуле , которая используется обычно в равновесных условиях. В то же время обмен кинетическими энергиями между ионами и атомами из-за близости их масс происходит интенсивно, поэтому средняя кинетическая энергия ионов, в отличие от средней энергии электронов, практически равна средней кинетической энергии атомов, по которой ионам и атомам может быть приписана, как и для электронов, своя температура . При этом вследствие отмеченной выше неэффективности обмена энергией легких электронов с более массивными атомами и ионами. В условиях плазмы гелий-неонового лазера =300 К – 400 К. Из-за сильного различия температур и плазма гелий-неонового лазера является неизотермической, что является признаком сильно неравновесной плазмы.

При такой высокой температуре , которая легко возникает в плазме низкого давления, имеется достаточно много активных электронов с энергией в диапазоне 16 эВ-25 эВ, способных возбуждать напрямую атомы Ne и Нe из основного состояния атомов. В этих условиях основными процессами возбуждения атомов являются следующие столкновительные процессы (их часто называют ударами первого рода и обозначают как удары рода – в таких процессах активная частица, в данном случае электрон, затрачивает свою кинетическую энергию на возбуждение атома):

+ → + ; + → + , (8)

где есть атом Ne в основном состоянии 1 2 2 ¹S₀, есть атом Нe в основном состоянии 1 s ^{2 1}S₀, - быстрый электрон, имеющий достаточную энергию для возбуждения атомов, – медленный электрон, и - возбужденные атомы неона и гелия без конкретизации состояния, заселяющие разные возбужденные уровни, в том числе показанные на рис.3. Наиболее важные переходы в атомах неона и гелия при ударах рода согласно (8) с участием электронов показаны на рис.3 в виде прерывистых направленных вверх стрелок с номерами 1-5.

В результате действия ударов рода в плазме появляются возбужденные атомы неона на разных энергетических уровнях. В условиях разреженной плазмы убыль возбужденных атомов неона, в основном, происходит благодаря спонтанному излучению. Характеристиками излучательных переходов между разными энергетическими уровнями являются, в первую очередь, интегральные коэффициенты Эйнштейна для спонтанного излучения , где – индекс верхнего уровня и – индекс нижнего уровня. Примерами таких переходов являются показанные на рис.3 переходы ( =3·10⁶ с^-1), ( =5·10⁶ с^-1) и ( =7·10⁶ с^-1). Значения коэффициентов определяют среднее время жизни атомов в возбужденных состояниях. Время жизни атома , обусловленное только спонтанными переходами между уровнями с индексами и , определяется выражением . Для состояний атома неона с электронными конфигурациями 2 5 и 2 4 10^-7 с. Для состояний атома неона с электронными конфигурациями 2 4 и 2 3 = _р ~10^-8 с. Различие времен на порядок сказывается на значениях концентраций возбужденных атомов в разных состояниях и приводит к тому, что при между энергетическими уровнями состояний с конфигурациями 2 ( =4 и 5) и нижележащими энергетическими уровнями состояний с конфигурациями 2 ( =3 и 4) естественным образом возникает, хотя и небольшая, инверсия населенностей и в итоге возможно малоинтенсивное лазерное излучение на переходах , и даже в чистом неоне при большой длине газоразрядной трубки в несколько метров (большая длина трубки требуется из-за малого значения коэффициента усиления активной среды).

Атомы гелия, присутствующие в большом количестве в активной среде и являющиеся главным компонентом плазмы ( ~10¹⁶ см^-3; при =1 мм рт. ст. и =300 К + n _Ne= p /(kT_a)=3.22·10¹⁶ см^-3), сильно увеличивают инверсию населенностей для лазерных переходов в атоме неона. Влияние атомов Нe обусловлено наличием у них метастабильных энергетических уровней с энергиями, близкими к энергиям уровней атомов неона, с которых происходят лазерные переходы. Метастабильные уровни атома Нe 1 2 s ³S₁ и 1 2 s ¹S₀ непосредственно заселяются благодаря ударам рода согласно (8) с участием электронов. Они дополнительно также заселяются в результате возбуждения высоколежащих уровней атома Нe ударами рода и последующего спонтанного излучения атомов Нe с переходом атомов на метастабильные уровни. Концентрация атомов Нe на метастабильных уровнях может достигать довольно большой величины порядка 10¹² см^-3. Энергия метастабильных уровней атома гелия близка, как это видно из рис.3, к энергиям атома неона, находящегося в состояниях с электронными конфигурациями 2 4 и 2 5 . При столкновении атомов гелия, находящихся на метастабильных уровнях 1 2 s ³S₁ или 1 2 s ¹S₀, с находящимися в основном состоянии атомами неона возможна передача энергии возбуждения от атома гелия к атому неона. При этом атом неона перейдет на один из уровней, принадлежащих конфигурациям 2 4 или 2 5 , а атом гелия вернется в основное состояние. Вероятность обмена энергией возбуждения между атомами тем больше, чем ближе друг к другу расположены их уровни, т.е. чем меньше разница между энергиями уровней. Говорят, что такой обмен энергией между атомами с сильной зависимостью вероятности от величины носит резонансный характер. Процесс резонансной передачи энергии особенно эффективен, когда энергия не превышает энергию теплового движения атомов, т.е. когда . В этом случае выделяющаяся энергия легко переводится в энергию теплового движения атомов и наоборот.

Конкретно рассматриваемые процессы резонансной передачи энергии от возбужденного атома гелия к невозбужденному атому неона можно представить в виде:

He(1 2 s ³S₁)+ → +Ne(2 4 ), (9)

He(1 2 s ¹S₀)+ → +Ne(2 5 ), (10)

где использованы обозначения записи процессов (8). В скобках при обозначениях атомов указаны возбужденные состояния атомов. На рис.3 процессы (9) и (10) отражены в виде прерывистых искривленных стрелок 6 и 7. Поскольку в этих процессах исчезают атомы Нe в метастабильных состояниях, то эти процессы ограничивают время жизни атомов Нe в метастабильных состояниях. На время влияет также процесс диффузии атомов Нe в метастабильных состояниях к стенкам газоразрядной трубки и потери там энергии возбуждения при ударах о стенку, что происходит достаточно эффективно в газовой среде низкого давления. В итоге для атомов Нe в метастабильных состояниях ~(10^-5 - 10^-4) с. Это время жизни является весьма большим по меркам мира атомов, поскольку оно на несколько порядков превышает времена жизни и возбужденных атомов неона.

Следует отметить, что роль атомов Нe в метастабильных состояниях не ограничивается только участием их в резонансных процессах (9) и (10). Для поддержания плазмы тлеющего разряда, и тем самым мощности лазерного излучения на определенном уровне, необходима непрерывная ионизация атомов и, тем самым, непрерывное появление положительно заряженных ионов и электронов для компенсации их потерь, возникающих за счет совместного процесса диффузии электрически взаимодействующих между собой ионов и электронов к стенкам газоразрядной трубки (такую совместную диффузию ионов и электронов называют амбиполярной) и последующей там их рекомбинации (объединения) с образованием электрически нейтральных атомов. Важными поставщиками ионов и электронов в Нe-Ne-лазере являются атомы гелия из-за их преобладания. Основная масса атомов Нe находится в основном состоянии. Ионизация атомов Нe из основного состояния, которую называют прямой ионизацией, аналогична ударам рода (8) и происходит по схеме + → Нe⁺+ + при условии, что кинетическая энергия электрона больше энергии ионизации атома Нe 24.59 эВ. Таких электронов сравнительно мало в плазме, а сам процесс прямой ионизации имеет малое сечение и, тем самым, является маловероятным. Поэтому более вероятной и эффективной оказывается ступенчатая ионизация атомов Нe через предварительно возбужденные метастабильные уровни согласно процессу (8). Такой процесс ионизации, не требующий электрона с большой энергией и показанный для примера в виде прерывистой стрелки 8 (рис.3), происходит по схемам:

He(1 2 s ³S₁)+ → He⁺+ e + e, (11а)

He(1 2 s ¹S₀)+ → He⁺+ e + e. (11б)

В атомах неона между энергетическими уровнями состояний с электронными конфигурациями 2 5 и 2 4 и нижележащими уровнями с электронными конфигурациями 2 4 и 2 3 может происходить много разных спонтанных излучательных переходов с разными длинами волн. Поэтому при наличии инверсии населенностей между уровнями возможна, хотя обычно и малоинтенсивная, генерация лазерного излучения на многих длинах волн спектра излучения атомов неона. Наиболее интенсивными и наиболее часто используемыми на практике являются указанные выше и показанные на рис.3 переходы , и . В первом Нe-Ne-лазере генерация лазерного излучения происходила на переходе с длиной волны =1.152 мкм, приходящейся на невидимую человеческим глазом ближнюю ИК-область спектра. На практике часто используется Нe-Ne-лазер на переходе с длиной волны =0.6328 мкм, приходящейся на красный участок видимой человеческим глазом области спектра. Наиболее мощным Нe-Ne-лазером является лазер на переходе с длиной волны =3.394 мкм, приходящейся на ИК-область спектра. Лазеры с такой большой длиной волны излучения и соответственно малой энергией фотонов обычно используются в тех случаях, когда требуется большая мощность излучения. Генерация на определенной длине волны осуществляется подбором зеркал резонатора с наименьшими потерями излучения на данной длине волны или введением в резонатор диспергирующего или селективно поглощающего элемента для гашения лазерного излучения на других длинах волн.

Очевидно, что инверсии населенностей, а, следовательно, и генерации лазерного излучения благоприятствуют малые концентрации атомов Ne на уровнях с электронными конфигурациями 2 4 и 2 3 . Эти концентрации определяются равновесием следующих процессов.

1. Спонтанные переходы с излучением с уровней с конфигурациями 2 4 и 2 3 на уровни с конфигурацией 2 3 :

, (12)

где ħ обозначает фотон с частотой и энергией .

2. Поглощение излучения, испускаемого при спонтанных излучательных переходах согласно процессам (12), атомами Ne, находящимися в состояниях с конфигурацией 2 3 :

(13)

Состояния атома Ne с конфигурацией 2 3 , как было сказано выше, по-существу являются метастабильными, поэтому общая концентрация атомов Ne в этих состояниях в газоразрядной плазме велика. Следовательно, и велика эффективность процессов (13).

3. Из-за большой концентрации атомов Ne в состояниях с конфигурацией 2 3 большую роль играют процессы возбуждения атомов неона из этих состояний до уровней состояний с конфигурациями 2 3 и 2 4 при их столкновении с быстрыми электронами:

(14)

Процессы столкновений (14) являются еще одним примером ударов рода.

Интенсивность процессов (13) и (14) и их роль в итоге существенно зависят от величины концентрации