Газовые лазеры

Источником вынужденного излучения в газах служат возбужденные нейтральные атомы, молекулы или слабоионизованная тлеющим электрическим разрядом плазма. Число возникающих в столбе разряда электрон-ионных пар в точности компенсирует потери заряженных частиц на стенках газоразрядной трубки. Поэтому количество возбужденных атомов постоянно, а их излучение как правило непрерывно. Поскольку газовая среда весьма однородна, световой луч в ней рассеивается слабо и на выходе расходится очень мало. Мощность излучения газовых лазеров в зависимости от типа и конструкции может составлять от милливатт до десятков киловатт. Семейство газовых лазеров наиболее многочисленно.

Лазеры на нейтральных атомах. Наиболее распространены лазеры на смеси гелия и неона (10:1), дающие непрерывное излучение в красной области ( = 0,6328 нм).

Ионные лазеры. Инверсная населенность создается электрическим разрядом. Наиболее мощное излучение (сотни Вт) получено на ионах Ar2+ ( = 0,4880; 0,5145 мкм, сине-зеленая область), Kr2+ ( = 0,5682; 0,6471 мкм, желто-красная область), Kr3+, Ne2+ (УФ-область) и др. Излучение получено на ионах 29 элементов.

Молекулярные лазеры. Обладают высокой эффективностью (КПД до 25%) и мощностью (до десятков кВт в непрерывном режиме и десятков кДж в импульсном); излучают в ИК-диапазоне. Инверсная населенность создается УФ-излучением или электронным пучком. Наиболее распространены лазеры на CO2, H2O, N2. Лазеры на парах димера серы S2 обладают уникальной особенностью: за счет большого числа метастабильных уровней эта молекула излучает одновременно на 15 длинах волн видимого диапазона. Поэтому луч лазера на S2 кажется белым.

Газодинамические лазеры. Разновидность молекулярных газовых лазеров; представляет собой некое подобие реактивного двигателя, в камере сгорания которого сжигают углеводородное топливо. Активной средой в них служит многокомпонентная газовая смесь, нагретая свыше 1000 оС и разогнанная до сверхзвуковой скорости. Струя раскаленного газа движется между зеркалами оптического резонатора; инверсная населенность создается за счет адиабатического охлаждения газа, излучение происходит поперек струи. Наиболее мощные лазеры на CO2 работают в ИК диапазоне ( = 10,6 мкм), генерируя в непрерывном режиме излучение мощностью до сотен киловатт.

Лазеры на парах металлов. Ионы и атомы 27 металлов обладают удобной для создания инверсной населенности структурой энергетических уровней. Лазеры на парах Cu излучают на длинах волн 510,4 и 578,2 нм (зеленый свет) со средней мощностью свыше 40 Вт. Лазеры на парах металлов имеют очень высокий коэффициент усиления.

Химические лазеры. Газовые лазеры с инверсной населенностью за счет экзотермических химических реакций, продукты которых образуются в возбужденном состоянии. Лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме; излучение лежит в области дальнего ИК-излучения. Наибольшую мощность излучения обеспечивает реакция фтора с молекулярным водородом (в импульсном режиме — свыше 2 кДж при длительности импульса имп30 нс; в непрерывном — несколько кВт).

Эксимерные лазеры. Газовые лазеры, работающие на молекулах, существующих только в возбужденном состоянии (эксимерных) — короткоживущие соединения инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом (например, Ar2, KrCl, XeO и т. п.). Лазеры излучают импульсы в видимой или УФ области спектра с частотой повторения до 104 Гц со средней мощностью несколько десятков ватт.