6.5.3 Химические лазеры
Химические лазеры — лазеры, в которых инверсия населенностей создается во время экзотермических химических реакций, приводящей к преобразованию химической энергии в энергию электромагнитного излучения.
Различают три вида химических реакций, на основе которых созданы химические лазеры: - фотодиссоциация или распад молекул под действием света;
- диссоциация молекул при электрическом разряде в газе;
- взаимодействие молекул, атомов и соединений.
Химический лазер с использованием реакции фторирования водорода представлен на Рисунок - 6.22.
Молекулярный азот N2 нагревают в камере до Т= 2000 К и одновременно в реактивную камеру вводят газообразный гексафторид серы (SF6). В процессе смешения с горячим азотом происходит диссоциация с образованием атомов фтора. Смесь продувается со сверхзвуковой скоростью через сопла Лаваля. Одновременно вводится водород Н2. В результате взаимодействия фтора и водорода образуется колебательно-возбужденные молекулы фтористого водорода (HF)*, которые проникают через оптический резонатор из параллельных зеркал. В оптическом резонаторе возбуждается когерентное излучение на длинах волн 2,6 3,6 мкм. Мощность непрерывной генерации достигает десятки киловатт при КПД ~ 10%.
Фотодиссационные лазеры содержат в качестве активной среды результат распада, например, по схеме
где J* — возбужденный атом иода.
Йодный фотодиссационный лазер работает на длине волны λ = 1,31 мкм с энергией в импульсе до 100 Дж.
Существуют и другие типы лазеров с использованием различных типов химических реакций. Разрабатываются лазеры, работающие в видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
6.5.4 Лазеры на парах металла
Лазеры на парах металлов — газовые лазеры, активная среда которых является парами металла.
В настоящее время генерация газовых лазеров осуществляется на переходах атомов и атомарных ионов более 50 элементов, из них половина на переходах атомов или ионов металлов.
Разрядная трубка с металлом помещается в трубчатую печь. Для поддержания разряда в ненагреваемых частях трубки используется буферный инертный газ, например, гелий (Рисунок - 6.23). В некоторых конструкциях буферный газ используется в процессе создания инверсной заселенности уровней, например, в гелий-кадмиевом лазере. Вместо термического нагрева иногда используют явление катафореза или движения дисперсионных частиц под действием электрического поля. Это явление объясняется существованием на границе двойного электрического слоя.
Рисунок - 6.23. Схема лазера на парах металла: 1 — нагреватель; 2 — резонаторная трубка; 3 — электроды; 4 — зеркала резонатора
Одной из перспективных конструкций является лазер на парах меди. В активной системе лазера на парах меди при переходах с резонансного уровня на метастабильный возникает уникально высокий коэффициент усиления. Эти лазеры могут работать в режиме сверхсветимости, при котором использование оптического резонатора необязательно. Такая возможность позволяет использовать лазер на парах меди в качестве когерентных усилителей света, способных за один переход активной среды на несколько порядков усилить яркость световых пучков, формирующих изображение или какую-нибудь оптическую информацию. Лазер на парах меди генерирует в зеленой части спектра λ=0,510 мкм. Возможна генерация также на желтой линии λ=0,578 мкм. Накачка активной среды в лазерах на парах металлов осуществляется газовым разрядом, оптическим путем, процессом перезарядки, в процессе рекомбинации двукратно заряженных ионов.