Виды лазеров газовые лазеры

Газовый лазер — оптический квантовый, генератор с газообразной активной средой. Газ, в котором 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 частицы газа в результате вынужден­ных переходов на нижний уровень излу­чают. Часть электромагнитного излучения выво­дится из резонатора наружу. В тех случаях, когда время жиз­ни верхнего лазерного уровня мало, а коэффициент усиления велик, генерирует­ся не вынужденное излучение, а уси­ленное спонтанное излучение (супер­люминесцентные газовые лазеры или газовые лазеры на сверхсветимости, характерные для УФ диапазона).

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

Особенности газовых лазеров. Газы по сравнению с конденсированными средами обладают боль­шей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажа­ется и рассеивается. В результате на­правленность излучения газовых лазеров дости­гает предела, обусловленного дифрак­цией света (дифракционный предел расходимости). Расходимость светового луча газового лазерав видимом диапазоне ~10^-5—10^-4 рад. В ИК диапазоне ~10^-4—10^-3 рад.

Благодаря малой плотности газа ширина спектральной, линии обусловлена главным образом доплеровским уширением, величина которого мала. Это, а также применение ряда методов, использующих свойства доплеровски уширенной линии, позволяет достичь высокой стабильности частоты.

Вместе с тем малая плотность газа препятствует получению такой высо­кой плотности возбуждённых частиц, которая характерна для твёрдых тел и жидко­стей. Поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров ниже, чем у твёрдотельных лазеров и жидкостных лазеров. Однако пере­ход к более высоким давлениям и соз­дание быстропроточных газовых лазеров резко увеличили их мощность (см. дальше).

Специфика газов проявляется в раз­нообразии типов частиц, уровни которых используются для возбуждения гене­рации (нейтральные атомы, ионы, неустойчи­вые молекулы). Поэтому процессы, используемые для создания инверсии населённостей, в газовом лазеров весьма много­образны. К их числу относятся элек­трический разряд, химическое возбуждение, фотодиссоциация, газодинамические процессы, возбуждение электронным пучком и т. д. Оптическая накачка с помощью газо­разрядных ламп, применяемая в жид­костных и твёрдотельных лазерах, ма­ло эффективна для большинства газовых лазеров, т. к. газы обладают узкими линиями поглощения.

В подавляющем большинстве газовых лазерах инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразряд­ные лазеры). Электроны, образую­щиеся в разряде при столкновениях с частицами газа (электронный удар), возбуждают их, т. е. перево­дят на более высокие уровни энергии. Возбуждение электронным ударом обычно сочетается в газовых лазерах с другим меха­низмом возбуждения — резонансной передачей энергии частицам одного сорта (рабочим частицам) от добавляемых частиц другого сорта (вспомо­гательных) при неупругих соударени­ях.

Лазеры на нейтральных атомах. Исторически первым газовым лазером, появив­шимся в 1961 (американский физик А. Джаван), был гелий-неоновый лазер. В гелий-неоновом лазере ра­бочим веществом являются нейтральные атомы неона Ne. В электрическом разряде часть атомов Nе переходит с основного уровня ε₁ на возбуждённый верхний уровень энергии ε₃ (рис. 6). Но в чистом Nе время жизни на уровне мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни ε₁ и ε₂, что препятствует созданию доста­точно высокой инверсии населённостей (превышающей порог генерации) для пары уровней ε₂ и ε₃. Примесь Не существенно меняет ситуацию. Первый возбуждённый уровень атома Не совпадает с верхним, уровнем ε₃ неона. Поэтому при столкновении возбуж­дённых электронным ударом атомов Не, с невозбужденными атомами Nе (с энергией ε₁) происходит передача возбуждения, в результате которой ато­мы Nе будут возбуждены на уровень ε₃, а атомы Не возвращаются в основное состояние. При достаточно большом числе атомов Не в газовой

Рис. 6

смеси можно добиться преимущественного заселе­ния уровня ε₃ неона. Этому же спо­собствует опустошение уровняε₂ неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки (рис. 7). Для эффективного опустошения уровняε₂диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает число атомовNе и, следовательно, мощность генерации. Оптимальным с точки зре­ния максимальной, мощности генерации является диаметр трубки около 7 мм при давлении 1 мм рт.

Рис. 7

ст. и определённом соотношении Nе и Не (1 : 10).

Уровни неона ε₂ иε₃обладают 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 оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия. Это позволяет создать необходимый коэффициент отраже­ния для заданной длины волны и воз­будить тем самым в газовом лазере 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 газовых лазеров. Красный гелий-неоновый лазер (λ=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 различных переходах между уровнями нейтральных атомов 34 химических эле­ментов. Возбуждение непрерывной ге­нерации происходит в положительном столбе тлеющего разряда при плотности токаj~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 лазерыобладают большей выходной мощностью, чем газовые лазеры на нейтральных атомах. Генерация на ионизированных газах впервые получена американским фи­зиком У. Б. Бриджесом в 1964. Инверсия населённостей создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрическом разряде. Относительно боль­шая концентрация ионов обеспечи­вается высокой плотностью тока, который в ионных лазерах достигает десятков тысяч А/см². Поэтому электрический раз­ряд осуществляется в тонких капил­лярах (диаметр до 5 мм), обладающих высокой теплопроводностью (например, из бериллиевой керамики). Кпд ионных лазеров невысок (≤0,1%).

Генерация наблюдается на 440 пере­ходах ионов 29 элементов. Наиболее мощная генерация (несколько сотен Вт) получена в сине-зелёной области спек­тра (λ= 4880 мкм, λ= 0,5145 мкм) на ионах Аг²⁺, в жёлто-красной (0,5682 мкм, 0,6471 мкм) на ионах Кr²⁺, на УФ линияхNe²⁺, Аr³⁺и Кr³⁺. Выходная мощность ионных газовых лазеров резко зависит от тока разрядаI (рис. 8).

Рис. 8

Ионные газовые лазеры применяются в физических исследованиях, в оптической связи и лока­ции ИСЗ, в технологии, фотобиологии и фотохимии и в лазерном разделении изотопов.

Лазеры на парах металлов. В особую обширную группу выделяются газовые лазеры на парах металлов (атомы и ионы), перспективные для получения высоких кпд. Для получения высокого кпд необходимо, чтобы опустошение нижнего лазерного уровня происходило не за счет спонтанных переходов, а в ре­зультате столкновений с атомами и молекулами (столкновительные газовые лазеры). Атомы некоторых металлов обладают благоприятной для этого структурой уровней. Для них квантовый выход может достигать 0,7. Генерация осуществлена для 27 металлов; наи­лучшие результаты получены для газовых лазеров на парахCu(уровниCu⁺): λ= 510,5 нм, λ= 578,2 нм, средняя мощность 43,5 Вт, пиковая мощность 200 Вт, кпд ~1%. Чрезвычайно высокий коэффициент усиле­ния позволяет использовать их в качестве квантовых усилителей света (без резона­тора). На этом основан лазерный проекционный микроскоп.

Распространены также газовые лазеры на па­рах Сd(уровниCd²⁺). Инверсия насе­лённостей образуется в результате пе­редачи энергии от возбуждённых атомов Не. Гелий-кадмиевый газовый лазер в не­прерывном режиме позволяет получить мощность генерации 10—50 мВт на линии λ=441,6 нм (синяя область) и несколько мВт на линии λ= =3250нм (УФ область) при кпд 0,1%.

Молекулярные лазерыявляются наиболее мощными газовыми лазерами и обладают высоким кпд. Первый возбуждённый уровень атома или иона обычно имеет энергию, равную ½ энергии ионизации (поряд­ка нескольких эВ), остальные уровни распо­ложены выше, сгущаясь к ионизационному пределу.Поэтому боль­шинство процессов возбуждения неселективно: возбуждается одновремен­но много уровней. В результате квантовый выход и кпд невелики.

Молекулы, в отличие от атомов, кро­ме электронных уровней имеют колебательные н вращательные уровни энергии. Расстояния между нижними колебательными уров­нями часто малы (10^–1—10^–2эВ), по­этому можно возбудить только коле­бания молекул, не «затрагивая» электроны. У многоатомных молекул существует несколько типов колебаний. Излучательные переходы между уровнями одинакового типа дают квантовый выход, близкий к единице. Высокая эффективность возбуждения колебательных уровней, большой квантовый вы­ход и селективность резонансной пере­дачи энергии позволяют достичь в молекулярных газовых лазерах кпд ~20—25%.

Генерация наблюдается на колебательно-вращательных переходах 23 молекул. Наиболее интересны молекулярные лазеры на СО₂(λ=9,4 мкм, λ=10,6 мкм). В газо­разрядных СО₂-лазерах электроны в тлею­щем разряде возбуждают колебательные уровни молекул СО₂и N₂. Инверсия населённостей достигается электрон­ным ударом и резонансной передачей возбуждения. МолекулыN₂при столк­новении с молекулами СO₂передают им энергию, заселяя верхний лазерный уровень. Высокая инверсия насе­лённостей достигается при введении в газовую смесь кроме N₂других газов, опустошающих нижний лазерный уро­вень (Не, Н₂О). Давление газар и диаметр разрядной трубкиD ограничены условием устойчивости горения разря­да и необходимостью теплоотвода. По­этому достижимая мощность излуче­ния ~1 кВт.

Рис. 9

В более мощных СО₂-лазерах ис­пользуется схема с поперечным разря­дом и непрерывной прокачкой газа (рис. 9). При этом давлениер газа и плотность токаjограничены только устойчивостью газового разряда. Пе­реход к несамостоятельному разряду (иониза­ция газа обеспечивается электронным пучком, УФ излучением и др.) позво­ляет возбуждать большие объёмы газа при высоких давлениях (до 20— 50 атм). Быстропроточные СО₂-лазеры с поперечным несамостоятельным 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. Быстропроточные газовые лазеры используются в тех­нологии, а импульсные СО₂-лазеры— для разделения изотопов.

Помимо электрического разряда в молекулярных газовых лазерах для возбуждения генерации ис­пользуются другие методы. Они реализуются в газодинамических,химическихиэксимерныхлазерах, рассмотренных ниже.

Газодинамический лазер — газовый лазер, в котором инверсия насе­лённостей создаётся в системе колебательных уровней энергии молекул газа путём адиабатического охлаждения нагретых га­зовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Газодинамический лазер состоит из нагрева­теля, сверхзвукового сопла (или набора сопел, образующих сопловую ре­шётку), оптического резонатора и диффузора. В нагревателе происхо­дит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или подогрева с по­мощью электрических разрядов и ударных волн). При течении газа в сверхзвуко­вом сопле смесь быстро охлаждается; при этом нижние уровни энергии опусто­шаются быстрее, чем верхние, в ре­зультате чего образуется инверсия населённостей определённых уровней энергии молекул. В резонаторе генерируется когерентное излучение. Диффузор предназначен для торможения потока и повышения давления газа.

Самые мощные газодинамические лазеры работают в ИК области спектра (λ=10,6 мкм) на пере­ходах между колебательными уровнями моле­кул СО₂(в смеси с азотом и парами во­ды или гелием). В этих газодинамических лазерах наиболее просто получить генерацию в продук­тах сгорания углеводородных топлив. Получена генерация в ИК газодинамического лазера на молекулах СО,N₂Oи СS₂. Кпд этих лазеров невелик (~1%), что связано с неболь­шой эффективностью теплового воз­буждения и переходом основной доли энер­гии в кинетическую энергию молекул. Пре­имущество таких лазеров — возможность непре­рывной генерации значит, мощности (до сотни кВт). Перспективно создание мощных газодинамических лазеров на переходах между электронными уровнями атомов и мо­лекул, излучающих в видимой области спектра (фоторекомбинационные и плазмо-динамические лазеры).

Химический лазер — газовые лазеры, в которых инверсия населённостей образуется в результате химических реакций. Возможность создания такого рода лазеров основана на том, что продукты мно­гих экзотермических химических реакций обра­зуются преимущественно в возбуждённых состоя­ниях. Большинство химических лазеров работает на колебательных переходах двух­атомных молекул. Возбуждение осу­ществляется в результате экзотермических реакций замещения:

А+ВС→АВ+С+∆ε,

причём значительная часть δ выделяющейся энергии ∆ε идёт на возбуждение колебательных уровней молекулы АВ. В ре­зультате образуется неравновесный газ двухатомных молекул АВ, в котором средняя величина колебательной энергии зна­чительно превышает величину энер­гии, приходящейся на поступательную и вращательную степени свободы молекул. Такой неравновесный газ является ак­тивной средой с инверсной населён­ностью для большого количества колебательных переходов. В таблице приведены некоторые реакции, приводящие к инверсной населённо­сти, величины ∆ε и δ, а также при­мерный диапазон длин волн λ излу­чения, соответствующий каждой из реакций.

Таблица 1

Для работы химического лазера требуется создать некоторое количество химически активных свободных радикалов (атомов А). Для этого используются: прямой нагрев, приводящий к термической диссоциации вещества; облучение УФ или видимым светом, приводящее к частичной фото­диссоциации исходных продуктов; химические реакции, сопровождающиеся по­явлением свободных радикалов; газо­вый разряд, в котором частичная диссо­циация компонент происходит в ре­зультате столкновений молекул с электронами, электронная бомбардировка и др. Т. к. в результате реакций, при­водящих к возбуждению химического лазера, про­исходят необратимые изменения химического состава исходных веществ, необходимое условие длительной работы лазера — не­прерывное возобновление рабочего вещества.

Основные параметры, характеризу­ющие эффективность этого типа лазера— его химический кпд η_х (отношение энергии лазерного излучения к величине энергии, выделя­ющейся в результате химических реакции) и так называемой электрический кпд η_э(отношение энергии лазерного излучения к энер­гии, затрачиваемой на инициирование химической реакции). Т. к. энергия, требуе­мая для инициирования многих экзотермических реакций, меньше энергии, которая выделяется в результате проте­кания таких реакций, то величина η_эне имеет принципиальных огра­ничений сверху и может превышать 100%, например химический лазер на основе цепной реакции фтора с водородом (или дей­терием):

F+H₂→HF+H,

H+F₂→HF+F

имеют η_э>90%. Однако для химических лазеров на основе цепных реакций η_хотноситель­но невелико (~1%), поскольку, например, при малой начальной степени диссоциации молекулF₂время протекания цепной реакции оказывается много больше времени разрушения инверсной на­селённости в результате межмолекулярных соу­дарений. В связи с этим наиболее мощ­ные хим. лазеры на основе НF(DF), обла­дающие высоким η_х(до 10%), рабо­тают на основе простых реакций заме­щения (табл.). Максимальная энергия излу­чения НF-лазеров (в импульсном режиме)>2 кДж при длительности им­пульса ~30 нc. Наиболее мощные химические лазеры на НFнепрерывного действия работают при прокачивании активно­го вещества через резонатор со сверхзвуковой скоростью и обладают выходной мощ­ностью в несколько кВт при η_э~2—4%. В основе применений хим. лазеров ле­жат, с одной стороны, их высокие мощность генерации и кпд, а с дру­гой — возможность получения гене­рации на большом числе переходов в широкой области ИК спектра. Наряду с другими типами мощных лазеров химические лазеры используются в технологии, в уста­новках по исследованию лазерного управляемого термоядерного синтеза, в лазерной спектроскопии, лазерной химии и лазерном разделении изото­пов, а также при исследовании про­цессов молекулярных соударений.

ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ— газовые лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённом состоянии). Нижний уровень лазерного перехода является так называемым «отталкивательным» (невозбуж­дённые атомы отталкиваются друг от друга и не

Рис. 10

образуют молекулу). Энер­гия верхнего уровня лазерного перехода (один из атомов X* возбуждён) имеет минимум, соответствующий образо­ванию эксимерной молекулы (рис. 10), При наличии в газе некоторого количества эксимерных молекул, создаваемых накачкой, инверсия населённостей возникает благодаря эффективному опустоше­нию нижнего уровня за счёт разлёта ядер. Быстрое опустошение нижнего уровня обусловливает аномально большую ширину линий усиления эксимерного лазера (≈10^–2—10^–1эВ).

В эксимерных лазерах используются двухатомные эксимерные молекулы — короткоживущие соединения атомов инертных га­зов друг с другом, с галогенами или с кислородом (см. табл. 2). Излучение этих молекул соответствует видимой или УФ областям спектра. Это объяс­няет интерес к данным лазерам как к источникам УФ когерентного излучения. Аномаль­но большая ширина линии усиления открывает возможность перестройки частоты генерации.

Таблица 2

Активная среда лазера состоит из инертного газа при атмосферном или несколько большем давлении с возмож­ными малыми добавками галогенсодержащих молекул (давление р ≤ 10^–2атм). Эксимерные молекулы об­разуются в результате протекания следующих процессов:

R^*+X₂→RX^*+X,

R^*+2R→+R,

где R— атом инертного газа,Х₂ — молекула галогена (звёздочка озна­чает электронно-возбуждённое состо­яние). В силу малых времён жизни активных молекул (~10^–8с), малости λ и большой ширины линии усиления для осуществления генерации требу­ется создать достаточно высокую концентрацию эксимерных молекул. Это достигается за счёт использова­ния мощных импульсных источников возбуждения — мощных электронных пучков или импульсного поперечного разряда, который обычно для обеспече­ния объёмной однородности предва­рительно инициируют маломощным электронным пучком или фотоионизирующим УФ излучением.

Наиболее эффективны и хорошо изучены эксимерные лазеры на АrF, КrF, ХеF. Вы­ходная энергия этих лазеров при воз­буждении электронным пучком или электрическим разрядом, инициируемым электронным пучком, достигает нескольких сот Дж при кпд 10% и длительности импульса ~10^–8с. При возбуждении импульсным электрическим разрядом кпд ~1%, однако возможность реализа­ции импульсного режима с высокой частотой повторений (~10⁴Гц) делает такой способ возбуждения удобным. Средняя мощность генерации импульсных эксимерных лазеров с газоразрядным возбуждением достигает нескольких десятков Вт. Угловая расходимость излучения при исполь­зовании резонатора специальной конструк­ции достигает дифракционного предела.

Высокая мощность и эффективность эксимерных лазеров, малость длины волны и возмож­ность её перестройки с помощью параметрических генераторов света и других устройств делают их перспективными. Эти лазеры используются для оптической накачки ла­зеров на красителях. Они перспектив­ны для селективной лазерной фото­химии и лазерного разделения изото­пов, а также лазерного термоядерного синтеза.