Газовий лазер, лазер з газоподібним активним середовищем. Трубка з активним газом поміщається в оптичний резонатор, що полягає в простому випадку з двох паралельних дзеркал. Одне з них є напівпрозорим.

  Випущена в якому-небудь місці трубки світлова хвиля при поширенні її через газ посилюється за рахунок актів вимушеного випускання фотонів, що породжують лавину. Дійшовши до напівпрозорого дзеркала, хвиля частково проходить через нього. Ця частина світлової енергії випромінюється Р. л. зовні. Інша ж частина відбивається від дзеркала і дає початок новій лавині фотонів. Всі фотони ідентичні по частоті, фазі і напряму поширення. Завдяки цьому випромінювання лазера може володіти надзвичайно великою монохроматичністю, потужністю і різкою спрямованістю (див. Лазер Квантова електроніка ) .

  Перший Р. л. був створений в США в 1960 А. Джаваном. Л, що існують Р.. працюють в дуже широкому діапазоні довжин хвиль — від ультрафіолетового випромінювання до далекого інфрачервоного випромінювання — як в імпульсному, так і в безперервному режимі. У таблиці. приведені деякі дані про найбільш поширені Р. л. безперервної дії.

  З Р. л., що працюють лише в імпульсному режимі, найбільший інтерес представляють лазери ультрафіолетового діапазону на іонах Ne (l = 0,2358 мкм і l = 0,3328 мкм ) і на молекулах N ₂ (l = 0,3371 мкм ). Азотний лазер володіє великою імпульсною потужністю.

  У випромінюванні Р. л. найвиразніше виявляються характерні властивості лазерного випромінювання — висока спрямованість і монохроматичність. Істотною гідністю є їх здатність працювати в безперервному режимі. Застосування нових методів збудження (див. нижчий) і перехід до вищого тиску газу можуть різко збільшити потужність Р. л. За допомогою Р. л. можливе подальше освоєння далекого інфрачервоного діапазону, діапазонів ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань. Відкриваються нові сфери застосування Р. л., наприклад в космічних дослідженнях.

  Особливості газів як лазерних матеріалів. В порівнянні з твердими тілами і рідинами гази володіють істотно меншою щільністю і вищою однорідністю. Тому світловий промінь в газі практично не спотворюється, не розсівається і не випробовує втрат енергії. У таких лазерах порівняно просто збудити лише один типа електромагнітних хвиль (одну моду). В результаті спрямованість лазерного випромінювання різко збільшується, досягаючи межі, обумовленої дифракцією світла . Расходімость світлового променя Р. л. в області видимого світла складає 10 ^-5 — 10 ^-4 рад, а в інфрачервоної області 10 ^-4 — 10 ^-3 рад.

  На відміну від твердих тіл і рідин, складові газ частки (атоми, молекули або іони) взаємодіють один з одним лише при зіткненнях в процесі теплового руху. Ця взаємодія слабо впливає на розташування рівнів енергії часток. Тому енергетичний спектр газу відповідає рівням енергії окремих часток. Спектральні лінії, відповідні переходам часток з одного рівня енергії на іншій, в газі розширені трохи. Вузькість спектральних ліній в газі приводить до того, що в лінію потрапляє мало мод резонатора.

  Оскільки газ практично не впливає на поширення випромінювання в резонаторі, стабільність частоти випромінювання Р. л. залежить головним чином від нерухомості дзеркал і всієї конструкції резонатора. Це приводить до надзвичайно високої стабільності частоти випромінювання Р. л. Частота w випромінювання Р. л. відтворюється з точністю до 10 ^-11 , а відносна стабільність частоти

  Мала щільність газів перешкоджає здобуттю високої концентрації збуджених часток. Тому щільність енергії, що генерується, в Р. л. істотно нижче, ніж в твердотілих лазерів.

  Створення активного газового середовища в газорозрядних лазерах. Активним середовищем Р. л. є сукупність збуджених часток газу (атомів, молекул, іонів), що володіють інверсією населенностей . Це означає, що число часток, що «населяють» вищі рівні енергії, більше, ніж число часток, що знаходяться на нижчих енергетичних рівнях. У звичайних умовах теплової рівноваги має місце зворотна картина — населеність нижчих рівнів більша, ніж вищих (див. Больцмана статистика ) . В разі інверсії населенностей акти вимушеного випускання фотонів з енергією hn = Єв - Ен супроводжуючі вимушений перехід часток з верхнього рівня Єв на ніжній Ен, переважають над актами поглинання цих фотонів. В результаті цього активний газ може генерувати електромагнітне випромінювання частоти

  або з довжиною хвилі

  Одна з особливостей газу (або суміші газів) — різноманіття фізичних процесів, що приводять до його збудження і створення в нім інверсії населенностей. Збудження активного середовища випромінюванням газорозрядних ламп, що знайшло широке вживання в твердотілих і рідинних лазерах, мало ефективно для здобуття інверсії населенностей в Р. л., т. до. газы володіють вузькими лініями поглинання, а лампи випромінюють світло в широкому інтервалі довжин хвиль. В результаті може бути використана лише нікчемна частина потужності джерела накачування (ккд малий). У переважній більшості Р. л. інверсія населенностей створюється в електричному розряді (газорозрядні лазери). Електрони, що утворюються в розряді, при зіткненнях з частками газу (електронний удар) збуджують їх, перекладаючи на вищі рівні енергії. Якщо час життя часток на верхньому рівні енергії більший, ніж на ніжнем, то в газі створюється стійка інверсія населенностей. Збудження атомів і молекул електронним ударом є найбільш розробленим методом здобуття інверсії населенностей в газах. Метод електронного удару застосовний для збудження Р. л. як у безперервному, так і в імпульсному режимах.

  Збудження електронним ударом вдало поєднується з ін. механізмом збудження — передачею енергії, необхідної для збудження часток одного сорту від часток ін. сорту при непружних зіткненнях (резонансна передача збудження). Така передача вельми ефективна при збігу рівнів енергії в часток різного сорту ( мал. 1 ).

  В цих випадках створення активного середовища відбувається в два етапи: спочатку електрони збуджують частки допоміжного газу, потім ці частки в процесі непружних зіткнень з частками робочого газу передають їм енергію. В результаті цього населяється верхній лазерний рівень. Щоб добре накопичувалася енергія, верхній рівень енергії допоміжного газу повинен володіти великим власним часом життя. Саме за такою схемою здійснюється інверсія населенностей в неоновому для гелію лазері.

  неоновий для Гелію лазер (А. Джаван, США, 1960). У неоновому для гелію лазері робочою речовиною є нейтральні атоми неону Ne. Атоми гелію Не служать для передачі енергії збудження. У електричному розряді частина атомів Ne переходить з основного рівня e ₁ на збуджений верхній рівень енергії E ₃ . Але в чистому Ne час життя на рівні E ₃ мало, атоми швидко «зіскакують» з нього на рівні E ₁ і E ₂ , що перешкоджає створенню досить високої інверсії населенностей для пари рівнів E ₂ і E ₃ . Домішка Не істотно міняє ситуацію. Перший збуджений рівень Не збігається з верхнім рівнем E ₃ неону. Тому при зіткненні збуджених електронним ударом атомів Не з незбудженими атомами Ne (з енергією E ₁ ) відбувається передача збудження, в результаті якої атоми Ne будуть збуджені, а атоми Не повернуться в основний стан. При чималій кількості атомів Не можна добитися переважного заселення рівня неону. Цьому ж сприяє спустошення рівня E ₂ неону, що відбувається при зіткненнях атомів із стінками газорозрядної трубки. Для ефективного спустошення рівня E ₂ діаметр трубки має бути досить малий. Проте малий діаметр трубки обмежує кількість Ne і, отже, потужність генерації, Оптимальним, з точки зору максимальної потужності генерації, є діаметр близько 7 мм. Т. о., в результаті спеціального підбору кількостей ( парціального тиску ) Ne і Не і при правильному виборі діаметру газорозрядної трубки встановлюється стаціонарна інверсія населенностей рівнів енергії E ₂ і E ₃ неону.

 неону E ₂ і E _3. Рівні володіють складною структурою, тобто складаються з безлічі підрівнів. В результаті неоновий для гелію лазер може працювати на 30 довжинах хвиль в області видимого світла і інфрачервоного випромінювання. Дзеркала оптичного резонатора мають багатошарові діелектричні покриття. Це дозволяє створити необхідний коефіцієнт віддзеркалення для заданої довжини хвилі і збудити тим самим в Р. л. генерацію на необхідній частоті.

  Основний конструктивний елемент неонового для гелію лазера — газорозрядна трубка (зазвичай з кварцу). Тиск газу в розряді 1 мм рт. ст., причому кількість Не звичайна в 10 разів більше, ніж Ne. На мал. 2 приведена конструкція неонового для гелію лазера, розроблена для вживання у відкритому космосі. Розрядна трубка з внутрішнім діаметром 1,5 мм з корундової кераміки поміщена між напівпрозорим дзеркалом і призмою, що відображає, змонтованими на жорсткій берилієвій трубі (циліндрі). Розряд здійснюється на постійному струмі (8 ма, 1000 в) в двох секціях (кожна довжиною 127 мм ) із загальним центральним катодом. Холодний оксиднотанталовий катод (діаметром 48 мм і довжиною 51 мм ) роздільний на 2 половини діелектричною прокладкою, що забезпечує однорідніше розподіл струму по поверхні катода. Вакуумні сильфони з неіржавіючої сталі, що є анодами, утворюють рухливе з'єднання кожної трубки з тримачами дзеркала і призми. Кожух завершений з лівого кінця вихідним вікном. Лазер розрахований на роботу в космосі протягом 10 000 ч.

  Потужність випромінювання неонових для гелію лазерів може досягати десятих доль Вт, ккд(коефіцієнт корисної дії) не перевищує 0,01%, але висока монохроматичність і спрямованість випромінювання, простота в обігу і надійність конструкції зумовили їх широке вживання. Червоний неоновий для гелію лазер (l = 0,6328 мкм ) використовується при юстіровочних і нівелювальних роботах (шахтні роботи, кораблебудування, будівництво великих споруд). Неоновий для Гелію лазер широко застосовується в оптичному зв'язку і локації, в голографія і в квантових гіроскопах .

  Лазер на вуглекислому газі (До. Пател, США, Ф. Легей, Н. Легей-Соммер, Франція, 1964). Молекули, на відміну від атомів, мають не лише електронні, але і т.з. коливальні рівні енергії, обумовлені коливаннями атомів, складових молекулу, відносно положень рівноваги (див. Молекула ) . Переходи між коливальними рівнями енергії відповідають інфрачервоному випромінюванню. Лазери, в яких використовуються ці переходи, називаються молекулярними. З числа молекулярних лазерів особливо цікавий лазер, в якому використовуються коливальні рівні молекули СО ₂ , між якими створюється інверсія населенностей (СО ₂ -лазер).

  В газорозрядних Co ₂ -лазерах інверсія населенностей також досягається збудженням молекул електронним ударом і резонансною передачею збудження. Для передачі енергії збудження служать молекули азоту N ₂ , що збуджуються, у свою чергу, електронним ударом. Зазвичай в умовах тліючого розряду близько 90% молекул азоту переходить в збуджений стан, час життя якого дуже великий. Молекулярний азот добре акумулює енергію збудження і легко передає її молекулам Co ₂ в процесі непружних зіткнень. Висока інверсія населенностей досягається при додаванні в розрядну суміш Не, який, по-перше, полегшує умови виникнення розряду і, по-друге, через свою високу теплопровідність охолоджує розряд і сприяє спустошенню нижніх лазерних рівнів молекули Co ₂ . Ефективне збудження СО ₂ -лазеров може бути досягнуте хімічними або газодинамічними методами.

  Тонка структура коливальних рівнів молекули C0 ₂ дозволяє змінювати довжину хвилі (перебудовувати лазер) скачками через 30—50 Ггц в інтервалі довжин хвиль від 9,4 до 10,6 мкм.

  СО ₂ -лазери володіють високою потужністю (найбільша потужність лазерного випромінювання в безперервному режимі) і високим ккд(коефіцієнт корисної дії). При збудженні молекул Co ₂ електронним ударом і довжині газорозрядної труби 200 м-код СО ₂ -лазер випромінює потужність 9 квт. Існують компактні конструкції з вихідною потужністю в 1 квт. Окрім високої вихідної потужності, СО ₂ -лазери володіють великими ккд(коефіцієнт корисної дії), досягаючими 15—20% (можливе досягнення ккд(коефіцієнт корисної дії) 40%). СО ₂ -лазери можуть принципово ефективно працювати і в імпульсному режимі. Перераховані особливості Co ₂ -лазерів обумовлюють різноманіття їх вживання: технологічні процеси (різання, зварка), локація і зв'язок (атмосфера прозора для хвиль з l = 10 мкм ) , фізичні дослідження, пов'язані із здобуттям і вивченням високотемпературною плазми (висока потужність випромінювання), дослідження матеріалів і т. д.

  Газорозрядні трубки СО ₂ -лазеров мають діаметр від 2 до 10 см, довжина їх може бути дуже великою ( мал. 3 ). Зазвичай застосовуються секційні (модульні) конструкції із струмом розряду до декількох а при напрузі до 10 кв на секцію. Т. до. потужність СО ₂ -лазеров безперервної дії досягає дуже високих значень, серйозною проблемою є виготовлення досить довговічних дзеркал хорошої оптичної якості. Застосовуються покриті золотом сапфірові або металеві дзеркала. Виведення випромінювання частенько виробляється через отвори в дзеркалах. Як напівпрозорі вихідні дзеркала застосовуються пластини з високоомного германію, арсеніду галію і т. п.

  В електричному розряді СО ₂ -лазеров мають місце небажані ефекти, руйнівні інверсію населенностей, — розігрівання газу і дисоціація його молекул. Для їх усунення газова суміш безперервно «проганяється» через розрядні труби лазерів. Так відбувається оновлення активного середовища. Для здобуття великих потужностей (декілька квт ) в безперервному режимі газ проганяють через трубку з великою швидкістю і розряд відбувається в надзвуковому потоці. Для того, щоб уникнути втрат дорогого Не, газова суміш циркулює по замкнутому контуру. Збудження електронним ударом виробляється або в резонаторі, або безпосередньо перед вступом суміші в резонатор. У кращих приладах практично все молекули Co ₂ , що влітають в резонатор, вже збуджені і за час прольоту через резонатор віддають енергію збудження у вигляді кванта випромінювання.

  Іонні лазери (В. Бріджес, США, 1964). У іонних лазерах інверсія населенностей створюється між електронними рівнями енергії іонізованих атомів інертних газів і пари металів. Інверсія населенностей досягається вибором пари рівнів, для якої ніжній лазерний рівень володіє меншим, а верхній — великим часом життя. Необхідність створення великої кількості іонів приводить до того, що щільність струму газового розряду в іонних лазерах досягає десятків тисяч а/см ² Електричний розряд здійснюється в тонких капілярах діаметром до 5 мм. При великій щільності струму газ захоплюється струмом від анода до катода. Для компенсації цього ефекту анодна і катодна області розрядної трубки з'єднуються додатковою довгою трубкою малого діаметру, що забезпечує зворотний рух газу.

  Зважаючи на високу щільність струму для виготовлення газорозрядних трубок іонних лазерів застосовуються металокерамічні конструкції або трубки з берилієвої кераміки, що володіють високою теплопровідністю. Ккд іонних лазерів не перевищує 0,01%. В області видимого світла порівняно високою потужністю в безперервному режимі володіють аргонові лазери. Аргоновий іонний лазер генерує випромінювання з l = 0,5145 мкм (зелений промінь) потужністю до декількох десятків Вт. Він застосовується в технології обробки твердих матеріалів, при фізичних дослідженнях, в оптичних лініях зв'язку, при оптичній локації штучних супутників Землі.

  Іонний лазер на суміші іонів аргону і криптону володіє здатністю перебудовуватися по довжині хвилі (зміною дзеркал) у всьому видимому діапазоні. Він випромінює потужність до 0,1 Вт на хвилях 0,4880 мкм (синій), 0,5145 мкм (зелений), 0,5682 мкм (жовтий) і 0,6471 мкм (червоний промінь).

  Вельми перспективний лазер на парах кадмію, що працює в безперервному режимі в синьою (0,4416 мкм ) і ультрафіолетовою (0,3250 мкм ) областях спектру і що володіє високою монохроматичністю. Пари Cd утворюються у випарнику, розташованому біля анода ( мал. 4 ). Вони сильно розбавлені Не. Рівномірний розподіл Cd в газорозрядній трубці і підбір його концентрації досягаються захопленням пари Cd іонами Не від анода до катода. Щільність пари Cd визначається температурою підігрівача. У охолоджувачі біля катода Cd конденсується. Трубка діаметром 2,5 мм і довжиною 140 см при тиску Не 4,5 мм рт. ст., температурі підігрівача 250 °С, струмі розряду 0,12 а і напрузі 4 кв дозволяє отримати потужність 0,1 Вт в сині і 0,004 Вт в ультрафіолетовій областях спектру. Кадмієвий лазер застосовується в оптичних дослідженнях (див. Нелінійна оптика ) , океанографії, а також фотобіології і фотохімії.

  Газодинамічні лазери (В. К. Конюхов і А. М. Прохоров, СРСР, 1966). Характерною особливістю газів є можливість створення швидких потоків газових мас. Якщо заздалегідь сильно нагрітий газ раптово розширюється, наприклад при протіканні з надзвуковою швидкістю через сопло, то його температура різко падає. При раптовому зниженні температури молекулярного газу коливальні рівні енергії молекул можуть виявитися збудженими (газодинамічне збудження). Існує СО ₂ -лазер з газодинамічним збудженням. При газодинамічному збудженні теплова енергія безпосередньо перетвориться в енергію електромагнітного випромінювання. Потужність випромінювання газодинамічних лазерів, що працюють в безперервному режимі, досягає 100 квт.

  Хімічні лазери. Інверсія населенностей в деяких газах може бути створена в результаті хімічних реакцій, при; яких утворюються збуджені атоми, радикали або молекули. Газове середовище зручне для хімічного збудження, т. до. реагирующие речовини легко і швидко перемішуються і легко транспортуються. Хімічні лазери цікаві тим, що в них відбувається пряме перетворення хімічної енергії в енергію електромагнітного випромінювання. Прикладом хімічного збудження може служити збудження при ланцюговій реакції з'єднання фтору з дейтерієм, в результаті якої виходить збуджений дейтерид фтору DF, передавальний надалі енергію свого збудження молекулам Co ₂ . Видалення продуктів реакції забезпечує безперервний характер роботи цих лазерів.

  До хімічних лазерів примикають Р. л., у яких інверсія населенностей досягається за допомогою реакцій фотодиссоціації (розпаду молекул під дією світла). Це бистропротекающие реакції, в ході яких виникають збуджені радикали або атоми. Існує лазер на фотодиссоціації молекули Cf _з I (С. Р. Раутіан, І. І. Собельман, СРСР). Дисоціація відбувається під дією випромінювання ксенонового лампи-спалаху. Уламком реакції є збуджений атомарний іон I ⁺

  Літ.: Квантова електроніка, М., 1969; Беннет В., Газові лазери, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Блум А., Газові лазери, «Тр. інституту інженерів по електроніці і радіоелектроніці», 1966, т. 54 № 10; Пател До., Потужні лазери на двоокиси вуглецю, «Успіхи фізичних наук», 1969, т. 97, ст 4; Аллен Л., Джонс Д., Основи фізики газових лазерів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1970.

  Н. Ст Карлов.

Мал. 3. СО ₂ -лазер.

Мал. 4. Схематичне зображення кадмієвого лазера: 1 — дзеркала; 2 — вікна для виходу випромінювання; 3 — катод (зліва) і анод (справа); 4 — випарник кадмію; 5 — конденсатор пари кадмію; 6 — газорозрядна трубка.

Мал. 2. Поперечний перетин конструкції неонового для гелію лазера для космічних досліджень.

Мал. 1. Схема рівнів енергії допоміжних і робочих часток газорозрядного лазера.