лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в Оптический резонатор,состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным.
Испущенная в каком-либо месте трубки световая волна при распространении её через газ усиливается за счёт актов вынужденного испускания, порождающих лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично проходит через него. Эта часть световой энергии излучается Г. л. вовне. Другая же часть отражается от зеркала и даёт начало новой лавине фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению распространения. Благодаря этому излучение лазера может обладать чрезвычайно большой монохроматичностью, мощностью и резкой направленностью (см. Лазер, Квантовая электроника).
Первый Г. л. был создан в США в 1960 А. Джаваном. Существующие Г. л. работают в очень широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетового излучения до далёкого инфракрасного излучения — как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В табл. приведены некоторые данные о наиболее распространённых Г. л. непрерывного действия.
Из Г. л., работающих только в импульсном режиме, наибольший интерес представляют лазеры ультрафиолетового диапазона на ионах Ne (λ=0,2358мкми λ=0,3328мкм) и на молекулах N2(λ = 0,3371мкм). Азотный лазер обладает большой импульсной мощностью.
В излучении Г. л. наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения (см. ниже) и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность Г. л. С помощью Г. л. возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Открываются новые области применения Г. л., например в космических исследованиях.
Особенности газов как лазерных материалов.По сравнению с твёрдыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе практически не искажается, не рассеивается и не испытывает потерь энергии. В таких лазерах сравнительно просто возбудить только один тип электромагнитных волн (одну моду). В результате направленность лазерного излучения резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией света (См. Дифракция света). Расходимость светового луча Г. л. в области видимого света составляет 10-5— 10-4рад,а в инфракрасной области 10-4— 10-3рад.
В отличие от твёрдых тел и жидкостей, составляющие газ частицы (атомы, молекулы или ионы) взаимодействуют друг с другом только при соударениях в процессе теплового движения. Это взаимодействие слабо влияет на расположение уровней энергии частиц. Поэтому энергетический спектр газа соответствует уровням энергии отдельных частиц. Спектральные линии, соответствующие переходам частиц с одного уровня энергии на другой, в газе уширены незначительно. Узость спектральных линий в газе приводит к тому, что в линию попадает мало мод резонатора.
Так как газ практически не влияет на распространение излучения в резонаторе, стабильность частоты излучения Г. л. зависит главным образом от неподвижности зеркал и всей конструкции резонатора. Это приводит к чрезвычайно высокой стабильности частоты излучения Г. л. Частота ω излучения Г. л. воспроизводится с точностью до 10-11, а относительная стабильность частоты
Малая плотность газов препятствует получению высокой концентрации возбуждённых частиц. Поэтому плотность генерируемой энергии у Г. л. существенно ниже, чем у твердотельных лазеров.
Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах.Активной средой Г. л. является совокупность возбуждённых частиц газа (атомов, молекул, ионов), обладающих инверсией населённостей (См. Инверсия населённостей).Это означает, что число частиц, «населяющих» более высокие уровни энергии, больше, чем число частиц, находящихся на более низких энергетических уровнях. В обычных условиях теплового равновесия имеет место обратная картина — населённость низших уровней больше, чем более высоких (см. Больцмана статистика).В случае инверсии населённостей акты вынужденного испускания фотонов с энергиейhν = Ев - Ен, сопровождающие вынужденный переход частиц с верхнего уровняЕвна нижнийЕн,преобладают над актами поглощения этих фотонов. В результате этого активный газ может генерировать электромагнитное излучение частоты
или с длиной волны
Одна из особенностей газа (или смеси газов) — многообразие физических процессов, приводящих к его возбуждению и созданию в нём инверсии населённостей. Возбуждение активной среды излучением газоразрядных ламп, нашедшее широкое применение в твердотельных и жидкостных лазерах, мало эффективно для получения инверсии населённостей в Г. л., т. к. газы обладают узкими линиями поглощения, а лампы излучают свет в широком интервале длин волн. В результате может быть использована только ничтожная часть мощности источника накачки (кпд мал). В подавляющем большинстве Г. л. инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразрядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях с частицами газа (электронный удар) возбуждают их, переводя на более высокие уровни энергии. Если время жизни частиц на верхнем уровне энергии больше, чем на нижнем, то в газе создаётся устойчивая инверсия населённостей. Возбуждение атомов и молекул электронным ударом является наиболее разработанным методом получения инверсии населённостей в газах. Метод электронного удара применим для возбуждения Г. л. как в непрерывном, так и в импульсном режимах.
Возбуждение электронным ударом удачно сочетается с др. механизмом возбуждения — передачей энергии, необходимой для возбуждения частиц одного сорта от частиц др. сорта при неупругих соударениях (резонансная передача возбуждения). Такая передача весьма эффективна при совпадении уровней энергии у частиц разного сорта (рис. 1).
В этих случаях создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний лазерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни. Именно по такой схеме осуществляется инверсия населённостей в гелий-неоновом лазере.
Гелий-неоновый лазер(А. Джаван, США, 1960). В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона Ne. Атомы гелия Не служат для передачи энергии возбуждения. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня ε1на возбуждённый верхний уровень энергии E3. Но в чистом Ne время жизни на уровне E3мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни E1и E2, что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населённостей для пары уровней E2и E3. Примесь Не существенно меняет ситуацию. Первый возбуждённый уровень Не совпадает с верхним уровнем E3неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов Не с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией E1) происходит передача возбуждения, в результате которой атомы Ne будут возбуждены, а атомы Не вернутся в основное состояние. При достаточно большом количестве атомов Не можно добиться преимущественного заселения уровня неона. Этому же способствует опустошение уровня E2неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки. Для эффективного опустошения уровня E2диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает количество Ne и, следовательно, мощность генерации, Оптимальным, с точки зрения максимальной мощности генерации, является диаметр около 7мм.Т. о., в результате специального подбора количеств (парциальных давлений (См. Парциальное давление))Ne и Не и при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населённостей уровней энергии E2и E3неона.
неона E2и E3.Уровни обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и инфракрасного излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия. Это позволяет создать необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте.
Основной конструктивный элемент гелий-неонового лазера — газоразрядная трубка (обычно из кварца). Давление газа в разряде 1мм рт. ст.,причём количество Не обычно в 10 раз больше, чем Ne. Нарис. 2приведена конструкция гелий-неонового лазера, разработанная для применения в открытом космосе. Разрядная трубка с внутренним диаметром 1,5ммиз корундовой керамики помещена между полупрозрачным зеркалом и отражающей призмой, смонтированными на жёсткой бериллиевой трубе (цилиндре). Разряд осуществляется на постоянном токе (8ма,1000 в) в двух секциях (каждая длиной 127мм) с общим центральным катодом. Холодный оксиднотанталовый катод (диаметром 48мми длиной 51мм) разделён на 2 половины диэлектрической прокладкой, обеспечивающей более однородное распределение тока по поверхности катода. Вакуумные сильфоны из нержавеющей стали, являющиеся анодами, образуют подвижное соединение каждой трубки с держателями зеркала и призмы. Кожух завершен с левого конца выходным окном. Лазер рассчитан на работу в космосе в течение 10 000ч.
Мощность излучения гелий-неоновых лазеров может достигать десятых долейвт,кпд не превышает 0,01%, но высокая монохроматичность и направленность излучения, простота в обращении и надёжность конструкции обусловили их широкое применение. Красный гелий-неоновый лазер (λ = 0,6328мкм) используется при юстировочных и нивелировочных работах (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений). Гелий-неоновый лазер широко применяется в оптической связи и локации, в голографии (См. Голография) и в квантовых гироскопах (См. Квантовый генератор).
Лазер на углекислом газе(К. Пател, США, Ф. Легей, Н. Легей-Соммер, Франция, 1964). Молекулы, в отличие от атомов, имеют не только электронные, но и т. н. колебательные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов, составляющих молекулу, относительно положений равновесия (см. Молекула). Переходы между колебательными уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в которых используются эти переходы, называются молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особенно интересен лазер, в котором используются колебательные уровни молекулы СО2, между которыми создаётся инверсия населённостей (СО2-лазер).
В газоразрядных CO2-лазерах инверсия населённостей также достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N2, возбуждаемые, в свою очередь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам CO2в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей достигается при добавлении в разрядную смесь Не, который, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO2. Эффективное возбуждение СО2-лазеров может быть достигнуто химическими или газодинамическими методами.
Тонкая структура колебательных уровней молекулы C02позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) скачками через 30—50Ггцв интервале длин волн от 9,4 до 10,6мкм.
СО2-лазеры обладают высокой мощностью (наибольшая мощность лазерного излучения в непрерывном режиме) и высоким кпд. При возбуждении молекул CO2электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200мСО2-лазер излучает мощность 9квт.Существуют компактные конструкции с выходной мощностью в 1квт.Кроме высокой выходной мощности, СО2-лазеры обладают большим кпд, достигающим 15—20% (возможно достижение кпд 40%). СО2-лазеры могут принципиально эффективно работать и в импульсном режиме. Перечисленные особенности CO2-лазеров обусловливают многообразие их применения: технологические процессы (резание, сварка), локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с λ = 10мкм),физические исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (См. Плазма) (высокая мощность излучения), исследование материалов и т. д.
Газоразрядные трубки СО2-лазеров имеют диаметр от 2 до 10см,длина их может быть очень большой (рис. 3). Обычно применяются секционные (модульные) конструкции с током разряда до несколькихапри напряжениях до 10квна секцию. Т. к. мощность СО2-лазеров непрерывного действия достигает очень высоких значений, серьёзной проблемой является изготовление достаточно долговечных зеркал хорошего оптического качества. Применяются покрытые золотом сапфировые или металлические зеркала. Вывод излучения зачастую производится через отверстия в зеркалах. В качестве полупрозрачных выходных зеркал применяются пластины из высокоомного германия, арсенида галлия и т. п.
В электрическом разряде СО2-лазеров имеют место нежелательные эффекты, разрушающие инверсию населённостей, — разогрев газа и диссоциация его молекул. Для их устранения газовая смесь непрерывно «прогоняется» через разрядные трубы лазеров. Так происходит обновление активной среды. Для получения больших мощностей (несколькоквт) в непрерывном режиме газ прогоняют через трубку с большой скоростью и разряд происходит в сверхзвуковом потоке. Для того чтобы избежать потерь дорогостоящего Не, газовая смесь циркулирует по замкнутому контуру. Возбуждение электронным ударом производится либо в резонаторе, либо непосредственно перед поступлением смеси в резонатор. В лучших приборах практически все молекулы CO2, влетающие в резонатор, уже возбуждены и за время пролёта через резонатор отдают энергию возбуждения в виде кванта излучения.
Ионные лазеры(У. Бриджес, США, 1964). В ионных лазерах инверсия населённостей создаётся между электронными уровнями энергии ионизированных атомов инертных газов и паров металлов. Инверсия населённостей достигается выбором пары уровней, для которой нижний лазерный уровень обладает меньшим, а верхний — большим временами жизни. Необходимость создания большого количества ионов приводит к тому, что плотность тока газового разряда в ионных лазерах достигает десятков тысяча/см2Электрический разряд осуществляется в тонких капиллярах диаметром до 5мм.При больших плотностях тока газ увлекается током от анода к катоду. Для компенсации этого эффекта анодная и катодная области разрядной трубки соединяются дополнительной длинной трубкой малого диаметра, обеспечивающей обратное движение газа.
Ввиду высокой плотности тока для изготовления газоразрядных трубок ионных лазеров применяются металлокерамические конструкции или трубки из бериллиевой керамики, обладающие высокой теплопроводностью. Кпд ионных лазеров не превышает 0,01%. В области видимого света сравнительно высокой мощностью в непрерывном режиме обладают аргоновые лазеры. Аргоновый ионный лазер генерирует излучение с λ = 0,5145мкм(зелёный луч) мощностью до нескольких десятковвт.Он применяется в технологии обработки твёрдых материалов, при физических исследованиях, в оптических линиях связи, при оптической локации искусственных спутников Земли.
Ионный лазер на смеси ионов аргона и криптона обладает способностью перестраиваться по длине волны (сменой зеркал) во всём видимом диапазоне. Он излучает мощность до 0,1втна волнах 0,4880мкм(синий), 0,5145мкм(зелёный), 0,5682мкм(жёлтый) и 0,6471мкм(красный луч).
Весьма перспективен лазер на парах кадмия, работающий в непрерывном режиме в синей (0,4416мкм) и ультрафиолетовой (0,3250мкм) областях спектра и обладающий высокой монохроматичностью. Пары Cd образуются в испарителе, расположенном около анода (рис. 4). Они сильно разбавлены Не. Равномерное распределение Cd в газоразрядной трубке и подбор его концентрации достигаются увлечением паров Cd ионами Не от анода к катоду. Плотность паров Cd определяется температурой подогревателя. В охладителе около катода Cd конденсируется. Трубка диаметром 2,5мми длиной 140смпри давлении Не 4,5мм рт. ст.,температуре подогревателя 250 °С, токе разряда 0,12аи напряжении 4квпозволяет получить мощность 0,1втв синей и 0,004втв ультрафиолетовой областях спектра. Кадмиевый лазер применяется в оптических исследованиях (см. Нелинейная оптика),океанографии, а также фотобиологии и фотохимии.
Газодинамические лазеры (В. К. Конюхов и А. М. Прохоров, СССР, 1966). Характерной особенностью газов является возможность создания быстрых потоков газовых масс. Если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через сопло, то его температура резко падает. При внезапном снижении температуры молекулярного газа колебательные уровни энергии молекул могут оказаться возбуждёнными (газодинамическое возбуждение). Существует СО2-лазер с газодинамическим возбуждением. При газодинамическом возбуждении тепловая энергия непосредственно преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Мощность излучения газодинамических лазеров, работающих в непрерывном режиме, достигает 100квт.
Химические лазеры.Инверсия населённостей в некоторых газах может быть создана в результате химических реакций, при; которых образуются возбуждённые атомы, радикалы или молекулы. Газовая среда удобна для химического возбуждения, т. к. реагирующие вещества легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Примером химического возбуждения может служить возбуждение при цепной реакции соединения фтора с дейтерием, в результате которой получается возбуждённый дейтерид фтора DF, передающий в дальнейшем энергию своего возбуждения молекулам CO2. Удаление продуктов реакции обеспечивает непрерывный характер работы этих лазеров.
К химическим лазерам примыкают Г. л., в которых инверсия населённостей достигается с помощью реакций фотодиссоциации (распада молекул под действием света). Это быстропротекающие реакции, в ходе которых возникают возбуждённые радикалы или атомы. Существует лазер на фотодиссоциации молекулы CFзI (С. Г. Раутиан, И. И. Собельман, СССР). Диссоциация происходит под действием излучения ксеноновой лампы-вспышки. Осколком реакции является возбужденный атомарный ион I+
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|Лазер|Длина волны,мкм|Мощность, вт|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Кадмиевый|0,3250|несколько тысячных долей|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Кадмиевый|0,4416|десятые доли|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Аргоновый|0,4880|единицы|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Аргоновый|0,5145|десятки|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Криптоновый|0,5682|единицы|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Гелий-неоновый|0,6328|десятые доли|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Гелий-неоновый|1,1523|сотые доли|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Ксеноновый|2,0261|сотые доли|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Гелий-неоновый|3,3912|сотые доли|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|СО-лазер|5,6-5,9|сотни|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|СО2-лазер|9,4-10,6|дес. тысяч|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Лазер на молекулах HCN|337|тысячные доли|
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Лит.:Квантовая электроника, М., 1969; Беннет В., Газовые лазеры, пер. с англ., М., 1964; Блум А., Газовые лазеры, «Тр. института инженеров по электронике и радиоэлектронике», 1966, т. 54, № 10; Пател К., Мощные лазеры на двуокиси углерода, «Успехи физических наук», 1969, т. 97, в. 4; Аллен Л., Джонс Д., Основы физики газовых лазеров, пер. с англ., М., 1970.
Н. В. Карлов.
Рис. 3. СО2-лазер.
Рис. 1. Схема уровней энергии вспомогательных и рабочих частиц газоразрядного лазера.
Рис. 2. Поперечное сечение конструкции гелий-неонового лазера для космических исследований.
Рис. 4. Схематическое изображение кадмиевого лазера: 1 — зеркала; 2 — окна для выхода излучения; 3 — катод (слева) и анод (справа); 4 — испаритель кадмия; 5 — конденсатор паров кадмия; 6 — газоразрядная трубка.