Газовые лазеры.

1. Газовые лазеры ‑ лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.

2. Газодинамические лазеры ‑ газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N₂+CO₂+He или N₂+CO₂+Н₂О, рабочее вещество ‑CO₂).

3. Эксимерные лазеры ‑ разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерахблагородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих из себя среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.

В газовых лазерах в качестве активной среды используются чистые газы, их смеси, а также пары некоторых веществ. Газовый лазер представляет собой наполненную рабочим газом стеклянную или кварцевую трубку, на торцах которой нанесены зеркальные покрытия, образующие резонатор. Вдоль трубки впаяны электроды, между которыми при приложении напряжения равного 10³…10⁴В, зажигается тлеющий или дуговой разряд (U_раб =10…100В). Возникающие при разряде свободные электроны, сталкиваясь с частицами рабочего газа, возбуждают их, создавая в них инверсную населенность энергетических уровней.

Как известно, из-за малой плотности атомов в газах взаимодействие между ними мало, и они имеют линейный энергетический спектр. Поэтому лазерное излучение в газах возникает в результате взаимодействия только двух энергетических уровней. При этом газовые лазеры обладают наивысшей монохроматичностью и когерентностью (Dl/l_max=10^–6…10^-9).

Большая оптическая однородность газа позволяет изготавливать лазеры больших размеров (L =0,3…2м; d =3…30см). Это определяет очень малую расходимость лазерного излучения (j_изл<10^′), а также большие значения мощности излучения.

Так как основная доля энергии газового разряда затрачивается на ионизацию атомов рабочего газа и лишь малая часть идет на создание инверсной заселенности уровней, то их КПД невелик (h£1…10%).

В настоящее время наибольшее распространение получили: гелий-неоновые лазеры (активные частицы – нейтральные атомы), аргоновые лазеры (активные частицы – ионы газа) и лазеры на углекислом газе (активные частицы – молекулы газа).

В энергетическом спектре гелий-неонового лазера имеется несколько уровней, между которыми возможна излучательная рекомбинация. Чаще всего выбирают такую длину резонатора, чтобы лазер генерировал когерентное излучение с l=0,63мкм. Мощность излучения в непрерывном режиме у этих лазеров составляет P_изл=10^-4…10^-1Вт при h£0,5%. Высокая когерентность излучения, относительно небольшие размеры (несколько десятков см), малая угловая расходимость, а также стабильность параметров излучения позволяют использовать эти лазеры в научных исследованиях и измерительной технике.

Типовым газовым лазером на нейтральных атомах является гелий-неоновый лазер, в котором в качестве активной среды используется смесь гелия (Не) и неона (Ne) в соотношении примерно 10: 1 при общем давлении около 130 Па, которая находится в стеклянной трубке, размещаемой между зеркалами резонатора.

В таких лазерах индуцированное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют только в передаче энергии к атомам неона.

Возбуждение газового лазера осуществляется электрическим током с частотой около 30 Мгц, что вызывает возникновение тлеющего разряда. Под действием электрического разряда часть атомов гелия ионизируются и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией, которые, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их в возбужденное состояние.

Эти электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их из основного состояния Е₁ на долгоживущие уровни Е₂ и Е₃, которые весьма близки к уровням Е₄ и Е₅ неона.

1 - возбуждение при столкновении с электронами; 2 - резонансная передача возбуждения; 3 - лазерное излучение с l = 0,6328 мкм;4 - лазерное излучение с l = 1, 153 мкм; 5 - спонтанные переходы.

При столкновении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит резонансная передача возбуждения, в результате чего атомы неона оказываются на уровнях Е₄ и Е₅, а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Таким образом, использование дополнительного компонента (гелия) дает возможность осуществить дополнительное заселение нужных энергетических уровней атомами неона и получить инверсию населенности.

Поскольку уровень Е₃ является короткоживущим, то на переходах Е₄ - Е₃ и Е₅ - Е₃ можно получить непрерывную генерацию. Переходу Е₄ - Е₃ соответствует генерация в ближней инфракрасной области с длиной волны l = 1,153 мкм, а переходу Е₅ - Е₃ - в красной области видимого спектра с l = 0,6328 мкм.

В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в стеклянной трубке 1, расположенной между зеркалами 2 оптического резонатора.

Для уменьшения энергетических потерь торцы трубки закрыты плоскопараллельными пластинами, которые расположены поперечно оси трубки под углом i₀ = arctg n (где n - показатель преломления материала пластины), называемым углом Бюстера. При этом отражения от торцевых пластин минимально, так как лазерное излучение имеет плоскую поляризацию.

При наличии высокой когерентности излучения гелий-неоновые лазеры обладают существенным недостатком - низким КПД (от 0,01 до 0,1 %).

Рис. 1 – Конструкция газового лазера: 1 – лазерная трубка (длина активной зоны I, диаметр d), закрытая окнами, установленными под углом Брюстера; 2 – зеркало лазерного резонатора (полностью отражающее); 3 – зеркало лазерного резонатора; 4 – источник питания; 5 – смесь газов

Лучшими энергетическими параметрами обладают молекулярные газовые СО₂ - лазеры.

Лазеры на углекислом газе СО₂ генерируют излучение в дальней инфракрасной области. Наибольшая мощность излучения наблюдается при длинах волн l=10,6 мкм, l=5,06 мкм. Следует отметить, что l=10,6 мкм, соответствует окну прозрачности атмосферы, а это позволяет использовать такие лазеры в оптической локации. Эти лазеры отличаются высоким коэффициентом полезного действия (h£10…30%) и способны обеспечить мощность излучения в непрерывном режиме P=10^-1…10⁴Вт, а в импульсном - до мегаватт. Области применения: лазерные технологические установки, нелинейная оптика.

Аргоновые лазеры в настоящее время являются наиболее мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Наибольшая мощность излучения приходится на l_изл=0,488 мкм и l_изл=0,515мкм. Мощность излучения в непрерывном режиме у этих лазеров P_вых=10^-3…10²Вт. Однако при этом лазер требует эффективного водяного охлаждения и его конструкция довольно громоздка. Основные области применения: фотохимия, медицина, лазерные технологии.

Основное достоинство газовых лазеров - высокая когерентность. Основной недостаток - низкий КПД (не более единиц процентов).