Молекулярные лазеры

Представляют собой оптические квантовые генераторы, в качестве активного вещества которых используются молекулы. В отличии от атомов, молекулы газов имеют кроме электрических энергетических уровней также колебательные и вращательные.

Первый молекулярный лазер был реализован на смеси CO₂+N₂. Молекулы CO₂ имеют три частоты собственных возбуждающих колебаний, которым соответствуют уровни E₃, E₄ и E₅. Заселение этих уровней происходит в следствие нескольких одновременно протекающих процессов. Молекулы CO₂ возбуждаются при соударении с быстрыми электронами в газовом разряде. Одновременно вводится N₂ и в газовом разряде происходит ионизация его молекул. Возбуждается уровень E₂ у N₂ и уровень E₅ у CO₂. Молекулы азота возбуждаются весьма интенсивно и энергию возбуждения резонансно передают молекулам CO₂.

Еще большую инверсную заселенность уровня можно достичь введением в газовую смесь небольшого количества гелия. Благодаря его большой теплопроводности понижается общая температура смеси в рабочем объеме. Это уменьшает тепловое заселение уровней и возвращает молекулы CO₂ с самых высоких колебательных уровней на уровень E₅.

В дальнейшем происходит переход с полосы уровней E₅ на низлежащие с одновременным излучением. Генерация возникает на большом числе переходов молекулы CO₂ в интервале волн от 9 до 18 мкм.

КПД молекулярных лазеров достаточно высок (20-40%), излучаемая мощность светового потока достигает 10⁵ Вт.

Эксимерные лазеры

Это лазеры активная среда которых представляет собой электронные переходы эксимерных молекул.

Эксимерные молекулы существуют только в электрически возбужденном состоянии.

Зависимость энергии Е эксимерной молекулы от межатомного расстояния R

Зависимость потенциальной энергии взаимодействия E атомов эксимерной молекулы от расстояния R является монотонно спадающей функцией (1). Для возбужденного электронного состояния (2), которое является верхним уровнем лазерного перехода имеется минимум. Этот минимум и определяет существование эксимерной молекулы. Время жизни возбужденной эксимерной молекулы определяется временем её радиационного распада. Нижнее состояние лазерного перехода опустошается в процессе разлета атомов эксимерной молекулы.

Эксимерные молекулы представляют собой короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами и кислородом.

Конструкция эксимерных лазеров типична для газовых лазеров. Возбуждение активной среды производиться электронными пучками, газовым разрядом, оптической накачкой или комбинацией этих способов.

Особенностью эксимерных лазеров является высокое значение ширины линии усиления активного перехода. Это позволяет создавать мощные лазеры длин волн УФ – диапазона. Особой мощностью обладают эксимерные лазеры на фторе (F₂). Например, криптон-фторовые лазеры имеют выходную мощность в импульсе до 100 кДж и длительностью – 10^-9 с., что позволяет использовать его в экспериментах по термоядерному синтезу .

Газодинамические лазеры

Это лазер, в котором инверсия населенностей создается в системе колебательных уровне энергии газа с помощью адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. В качестве активной среды используется быстро охлаждаемая смесь газов, инверсная населенность уровней в которой достигается при следующих условиях:

• скорость опустошения нижнего уровня лазерного перехода выше скорости опустошения верхнего уровня;

• время опустошения верхнего уровня больше времени движения газа в резонаторе.

Принцип работы лазера следующий.

В камере сгорания сжигается углеводородное топливо (обычно авиационный керосин) с воздухом в качестве окислителя. Нагретая газовая смесь аэродинамическими средствами разгоняется до сверхзвуковой скорости (1,8 км/с) и резко расширяется. Молекулы CO₂, Ar, Ne опустошают свой инверсный уровень, что создает условия для генерации излучений.

Оптический резонатор, зеркала которого параллельны потоку, имеет значительные размеры и способен усиливать оптическое излучение. Эти лазеры работаю в непрерывном режиме, позволяют получать мощность порядка 10⁵ Вт при их КПД – 1%. Газодинамический лазер на CO₂ позволяет получить излучение с λ=18,4; 16,7; 16,2 мкм. Тот же лазер на CO имеет λ=5 мкм.