ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Оптический квант. генератор с газообразной активной средой. Газ, в к-ром за счёт энергии внеш. источника (накачки) создаётся состояние с инверсией населённостей двух уровней энергии (верхний и нижний лазерные уровни), помещается в оптический резонатор или прокачивается через него. В резонаторе возбуждённые на верхний лазерный уровень ч-цы газа в результате вынужденных переходов на ниж. уровень излучают. Часть эл.-магн. излучения выводится из резонатора наружу (см. ЛАЗЕР). В тех случаях, когда время жизни верхнего лазерного уровня мало, а коэфф. усиления велик, генерируется не вынужденное излучение, а усиленное спонтанное излучение (суперлюминесцентные Г. л. или Г. л. на сверхсветимости, характерные для УФ диапазона).

Семейство Г. л. многочисленно. Они охватывают диапазон длин волн К от УФ области спектра до субмиллиметровых волн. Большинство Г. л. работают в непрерывном, а также и в импульсном режимах и позволяют получать большие выходные мощности при высокой направленности излучения и стабильности его частоты.

Особенности Г. л.

Газы по сравнению с конденсиров. средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. В результате направленность излучения Г. л. достигает предела, обусловленного дифракцией света (дифракционный предел расходимости). Расходимость светового луча Г. л. в видимом диапазоне =10-5—10-4 рад. В ИК диапазоне =10-4—10-3 рад.

Благодаря малой плотности газа ширина спектр. линии обусловлена гл. обр. доплеровским уширением (см. ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ), величина к-рого мала. Это, а также применение ряда методов, использующих св-ва доплеровски уширенной линии, позволяет достичь высокой стабильности частоты (см. ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ, КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ).

Вместе с тем малая плотность газа препятствует получению такой высокой плотности возбуждённых ч-ц, к-рая характерна для тв. тел и жидкостей. Поэтому уд. энергосъём у Г. л. ниже, чем у твёрдотельных лазеров и жидкостных лазеров. Однако переход к более высоким давлениям и создание быстропроточных Г. л. резко увеличили их мощность (см. ниже).

Специфика газов проявляется в разнообразии типов ч-ц, уровни к-рых используются для возбуждения генерации (нейтр. атомы, ионы, неустойчивые молекулы). Поэтому процессы, используемые для создания инверсии населённостей, в Г. л. весьма многообразны. К их числу относятся электрич. разряд, хим. возбуждение, фотодиссоциация, газодинамич. процессы, возбуждение электронным пучком и т. д. Оптич. накачка с помощью газоразрядных ламп, применяемая в жидкостных и твёрдотельных лазерах, мало эффективна для большинства Г. л., т. к. газы обладают узкими линиями поглощения.

В подавляющем большинстве Г. л. инверсия населённостей создаётся в электрич. разряде (газоразрядные лазеры). Эл-ны, образующиеся в разряде при столкновениях с ч-цами газа (электронный удар), возбуждают их, т. е. переводят на более высокие уровни энергии. Возбуждение электронным ударом обычно сочетается в Г. л. с др. механизмом возбуждения — резонансной передачей энергии ч-цам одного сорта (рабочим ч-цам) от добавляемых ч-ц др. сорта (вспомогательных) при неупругих соударениях.

Лазеры на нейтральных атомах. Исторически первым Г. л., появившимся в 1961 (амер. физик А. Джаван), был гелий-неоновый лазер. В гелий-неоновом лазере рабочим в-вом явл. нейтр. атомы неона Ne. В электрич. разряде часть атомов Ne переходит с осн. уровня ?1 на возбуждённый верх. уровень энергии ?3 (рис. 1). Но в чистом Ne время жизни на уровне мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни ?1 и ?2, что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населённостей (превышающей порог генерации) для пары уровней ?2 и ?3. Примесь Не существенно меняет ситуацию. Первый возбуждённый уровень атома Не совпадает с верх. уровнем ?3 неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов Не, с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией ?1) происходит передача возбуждения, в результате к-рой атомы Ne будут возбуждены на уровень ?3, а атомы Не возвращаются в осн. состояние. При достаточно большом .

Рис. 1. Схема уровней энергии рабочих атомов Ne и вспомогат. атомов Не, используемых в гелий-неоновом лазере.

числе атомов Не в газовой смеси можно добиться преимущественного заселения уровня ?3 неона. Этому же способствует опустошение уровня ?2 неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки (рис. 2). Для эфф. опустошения уровня ?2 диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает число атомов Ne и, следовательно, мощность генерации. Оптимальным с точки зрения макс. мощности генерации явл. диаметр трубки ок. 7 мм при давлении1 мм рт. ст. и определ. соотношении Ne и Не (1 : 10). .

Рис. 2. Схема гелий-неонового лазера: 1 — зеркала оптич. резонатора; 2 — окна газоразрядной трубки; a — электроды; 4 — газоразрядная трубка.

Уровни неона ?2 и ?3 обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и ИК излучения. Зеркала оптич. резонатора имеют многослойные диэлектрич. покрытия. Это позволяет создать необходимый коэфф. отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте.

Мощность генерации гелий-неонового лазера достигает всего десятых долей Вт при кпд ?0,1%. Тем не менее высокие монохроматичность и направленность излучения, а также простота устройства обусловили широкое применение гелий-неоновых Г. л. Красный гелий-неоновый лазер (l=0,6328 мкм) используется при юстировочных и нивелировочных работах. Гелий-неоновые лазеры применяются при наладочных работах в голографии, в квантовых гироскопах и оптических стандартах частоты.

Со времени появления гелий-неонового лазера генерация получена более чем на 450 разл. переходах между уровнями нейтр. атомов 34 хим. элементов. Возбуждение непрерывной генерации происходит в положит. столбе тлеющего разряда при плотности тока j=100—200 А/см2. Для импульсной генерации используется импульсный разряд с послесвечением. Плотность тока в импульсном разряде может достигать 300 А/см2, а в случае импульса с крутым фронтом — сотен и тысяч А/см2, что создаёт высокую пиковую мощность генерации.

Ионные лазеры обладают большей выходной мощностью, чем Г. л. на нейтр. атомах. Генерация на ионизиров. газах впервые получена амер. физиком У. Б. Бриджесом в 1964. Инверсия населёиностей создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрич. разряде. Относительно большая концентрация ионов обеспечивается высокой плотностью тока, к-рый в ионных лазерах достигает десятков тысяч А/см2. Поэтому электрич. разряд осуществляется в тонких капиллярах (диам. до 5 мм), обладающих высокой теплопроводностью (напр., из бериллиевой керамики). Кпд ионных лазеров невысок (?0,1%).

Генерация наблюдается на 440 переходах ионов 29 элементов. Наиболее мощная генерация (неск. сотен Вт) получена в сине-зелёной области спектра (l=4880 мкм, l=0,5145 мкм) на ионах Ar2+, в жёлто-красной .

Рис. 3. Зависимость выходной мощности Р лазера на Аr2+ от разрядного тока I для наиб. интенсивной линии генерации; L — расстояние между зеркалами; D—диаметр зеркала.

(0,5682 мкм, 0,6471мкм) на ионах Kr2+, на УФ линиях Ne2+, Ar3+ и Kr3+. Выходная мощность ионных Г. л. резко зависит от тока разряда I (рис. 3).

Ионные Г. л. применяются в физ. исследованиях, в оптич. связи и локации ИСЗ, в технологии, фотобиологии и фотохимии (см. ЛАЗЕРНАЯ ХИМИЯ) и в лазерном разделении изотопов.

Лазеры на парах металлов.

В особую обширную группу выделяются Г. л. на парах металлов (атомы и ионы), Перспективные для получения высоких кпд. Для получения высокого кпд необходимо, чтобы опустошение ниж. лазерного уровня происходило не за счёт спонтанных переходов, а в результате столкновений с атомами и молекулами (столкновнтельные Г. л.). Атомы нек-рых металлов обладают благоприятной для этого структурой уровней. Для них квант. выход может достигать 0,7. Генерация осуществлена для 27 металлов; наилучшие результаты получены для Г. л. на парах Си (уровни Cu+ ): l=510,5 нм, l=578,2 нм, ср. мощность 43,5 Вт, пиковая мощность 200 Вт, кпд =1%. Чрезвычайно высокий коэфф. усиления позволяет использовать их в кач-ве квант. усилителей света (без резонатора). На этом основан лазерный проекц. микроскоп.

Распространены также Г. л. на парах Cd (уровни Cd2+ ). Инверсия населённостей образуется в результате передачи энергии от возбуждённых атомов Не. Гелий-кадмиевый Г. л. в непрерывном режиме позволяет получить мощность генерации 10—50 мВт на линии l= 441,6 нм (синяя область) и неск. мВт на линии l=3250 нм (УФ область) при кпд 0,1%.

Молекулярные лазеры

явл. наиболее мощными Г. л. и обладают высоким кпд. Первый возбуждённый уровень атома или иона обычно имеет энергию, равную 1/2 энергии ионизации (порядка неск. эВ), остальные уровни расположены выше, сгущаясь к ионизац. пределу (см. АТОМ). Поэтому большинство процессов возбуждения неселективно: возбуждается одновременно много уровней. В результате квант. выход и кпд невелики.

Молекулы, в отличие от атомов, кроме электронных уровней имеют колебат. и вращат. уровни энергии (см. МОЛЕКУЛА, МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ). Расстояния между ниж. колебат. уровнями часто малы (10-1—10-2 эВ), поэтому можно возбудить только колебания молекул, не «затрагивая» эл-ны. У многоат. молекул существует неск. типов колебаний. Излучат. переходы между уровнями одинакового типа дают квант. выход, близкий к единице. Высокая эффективность возбуждения колебат. уровней, большой квант. выход и селективность резонансной передачи энергии позволяют достичь в мол. Г. л. кпд =20—25%.

Генерация наблюдается на колебательно-вращат. переходах 23 молекул.

Наиболее интересны мол. лазеры на СO2 (l= 9,4 мкм, l=10,6 мкм). В газоразрядных СO2-лазерах эл-ны в тлеющем разряде возбуждают колебат. уровни молекул СO2 и N2. Инверсия населённостей достигается электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Молекулы N2 при столкновении с молекулами СO2 передают им энергию, заселяя верхний лазерный уровень. .

Рис. 4. Схема СО2-лазера с поперечным разрядом и прокачкой газов: 1 — зеркала резонатора; 2 — катод; 3 — анод.

Высокая инверсия населённостей достигается при введении в газовую смесь кроме N2 др. газов, опустошающих ниж. лазерный уровень (Не, Н2О). Давление газа р и диам. разрядной трубки D ограничены условием устойчивости горения разряда и необходимостью теплоотвода. Поэтому достижимая мощность излучения =1 кВт.

В более мощных СО2-лазерах используется схема с поперечным разрядом и непрерывной прокачкой газа (рис. 4). При этом давление р газа и плотность тока j ограничены только устойчивостью газового разряда. Переход к несамостоят. разряду (ионизация газа обеспечивается электронным пучком, УФ излучением и др.) позволяет возбуждать большие объёмы газа при высоких давлениях (до 20— 50 атм). Быстропроточные СO2-лазеры с поперечным несамостоят. разрядом генерируют излучение мощностью в десятки кВт при кпд =15—20%.

Возможность импульсно возбуждать большие объёмы газа при высоких давлениях привела к созданию импульсных СО2-лазеров с энергией излучения до 10 тыс. Дж в импульсе. Быстро-проточные Г. л. используются в технологии, а импульсные СО2-лазеры — для разделения изотопов.

Помимо электрич. разряда в мол. Г. л. для возбуждения генерации используются др. методы. В газе, нагретом до высокой темп-ры, при быстром охлаждении, напр. во время истечения газа из сверхзвук. сопла, колебат. уровни могут оказаться возбуждёнными. Большие выходные мощности (=100 кВт) в непрерывном режиме обусловлены тем, что сверхзвук. поток газа проносит через резонатор огромное число возбуждённых молекул (см. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР). В процессе многих хим. реакций выделяется значит. энергия, в результате чего образуются возбуждённые атомы, радикалы и молекулы. При этом в ряде случаев возникает инверсия населённостей (см. ХИМИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ).

Генерацию в УФ (0,2 — 0,4 мкм) области спектра получают на переходах между электронными состояниями устойчивых молекул, а также на переходах с возбуждённого устойчивого верхнего в нижнее неустойчивое электронное состояние неустойчивых молекул типа димеров инертных газов или димеров: атом инертного газа — атом галогена (атомы могут объединяться в такие молекулы только в возбуждённом состоянии, (см. ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ). Возбуждение активной среды осуществляется в импульсном электрич. разряде или с помощью пучка быстрых эл-нов. Эти Г. л. используются в физ., хим. и биол. исследованиях.