ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, 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 к.-л. 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 направлений 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 нек-рые данные о наиболее распространённых Г. л. непрерывного действия.

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

Из Г. л., работающих только в импульсном режиме, наибольший интерес представляют лазеры ультрафиолетового диапазона на ионах Ne ( = 0,2358 мкм и = 0,3328 мкм) и на молекулах N₂ (=0,3371 мкм). 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., напр, в космич. 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. Расходимость светового луча Г. л. в области видимого света составляет 10^-5 -10^-4рад, а в инфракрасной ббласти 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 энер-гетич. спектр гача соответствует уровням энергии отд. частиц. Спектральные линии, соответствующие переходам частиц с одного уровн!‘ энергии на другой, в газе уширены незнччительно. Узость спектральных линий в газе приводит к тому, что в линию попадает мало мод резонатора.

Т. к. газ практически не влияет на распространение излучения в резонаторе, стабильность частоты излучения Г. л. зависит гл. обр. от неподвижности зеркал и всей конструкции резонатора. Это приводит к чрезвычайно высокой стабильности частоты излучения Г. л. Частота со излучения Г. л. воспроизводится с точностью до 10~^и, а относит, 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. Это означает, что число частиц, "населяющих" более высокие уровни энергии, больше, чем число частиц, находящихся на более низких энергетич. уровнях. В обычных условиях теп гового равновесия имеет место обратная картина - населённость низших уровней больше, чем более высоких (см. Больцмана статистика). В случае инверсии населённостей акты вынужденного испускания фотонов с энергией сопровождающие вынужденный переход частиц с верхнего уровня на нижний 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 физич. 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 электрич. 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 элактронным 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).

Рис. 1. Схема уровней энергии вспомогательных и рабочих частиц газоразрядного лазера.

В этих случаях создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогат. газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабоче-го газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний лазерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уровень энергии вспомогат. газа должен обладать большим собств. 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 электрич. разряде часть атомов Ne переходит с осн. уровня на возбуждённый верхний уровень энергии Но в чистом Ne время жизни на уровне мало, атомы быстро "соскакивают" с него на уровни и что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населённостей для пары уровней и Примесь Не существенно меняет ситуацию. Первый возбуждённый уровень Не совпадает с верхним уровнем неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов Не с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией ) 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 преимуществ, заселения уровня неона. Этому же способствует опустошение уровня неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки. Для эффективного опустошения уровня диаметр трубки должен быть

достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает количество Ne и, следовательно, мощность генерации. Оптимальным, с точки зрения макс, мощности генерации, является диаметр ок. 7 мм. Т. о., в результате спец. подбора количеств (парциальных давлений) Ne и Не и при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населённостей уровней энергии неона.

Уровни неона 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 оптич. резонатора имеют многослойные диэлект-рич. покрытия. Это позволяет создать необходимый коэфф. отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте.

Осн. конструктивный элемент гелий-неонового лазера - газоразрядная трубка (обычно из кварца). Давление газа в разряде 1 мм рт. ст., причём количество Не обычно в 10 раз больше, чем Ne. На рис. 2 приведена конструкция гелий-неонового лазера, разработанная для применения в открытом космосе. Разрядная трубка с внутр. диаметром 1,5 мм из корундовой керамики помещена между полупрозрачным зеркалом и отражающей призмой, смонтированными на жёсткой бериллиевой трубе (цилиндре). Разряд осуществляется на постоянном токе (8 ма, 1000 в) в двух секциях (каждая длиной 127 мм) с общим центр, катодом. Холодный оксиднотанталовый катод (диаметром 48 мм и длиной 51 мм) разделён на 2 половины диэлектрич. 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 завершён с левого конца выходным окном. Лазер рассчитан на работу в космосе в течение 10 000 ч.

Рис. 2. Поперечное сечение конструкции гелий-неонового лазера для космических исследований.

Мощность излучения гелий-неоновых лазеров может достигать десятых долей вт, 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 используется при юстировочных и нивелировочных работах (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений). Гелий-неоновый лазер широко применяется в оптич. связи и локации, в голографии и в квантовых гироскопах.

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 колебат. уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в к-рых используются эти переходы, наз. молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особенно интересен лазер, в к-ром используются колебат. уровни молекулы СО₂, между к-рыми создаётся инверсия на-селённостей (СО₂-лазер).

В газоразрядных СО₂ -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 ок. 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни к-рого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам ССЬ в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей достигается при добавлении в разрядную смесь Не, к-рый, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы СО₂. Эффективное возбуждение СО₂-ла-зеров может быть достигнуто химич. или газодинамич. методами.

Тонкая структура колебательных уровней молекулы СО₂ позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) скачками через 30-50 Ггц в интервале длин волн от 9,4 до 10,6 мкм.

CCh-лазеры обладают высокой мощностью (наибольшая мощность лазерного излучения в непрерывном режиме) и высоким кпд. При возбуждении молекул СО₂ электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200 м СО₂-лазер излучает мощность 9 квт. Существуют компактные конструкции с выходной мощностью в 1 кет. Кроме высокой выходной мощности, СО₂-лазеры обладают большим кпд, достигающим 15-20% (возможно достижение кпд 40%). СО₂-ла-зеры могут принципиально эффективно работать и в импульсном режиме. Перечисленные особенности СО₂-лазеров обусловливают многообразие их применения: технологич. процессы (резание, сварка), локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с=10 мкм), фи-зич. исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (высокая мощность излучения), исследование материалов и т. д.

Газоразрядные трубки СО₂-лазеров имеют диаметр от 2 до 10 см, длина их может быть очень большой (рис. 3). Обычно применяются секционные (модульные) конструкции с током разряда до неск. а при напряжениях до 10 кв на секцию. Т. к. мощность СО₂-лазеров непрерывного действия достигает очень высоких значений, серьёзной проблемой является изготовление достаточно долговечных зеркал хорошего оптич. качества. Применяются покрытые золотом сапфировые или металлич. 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 электрич. 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 (неск. квт) 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 СО₂, 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 к-рой нижний лазерный уревень 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 тысяч а/см². Электрич. разряд осуществляется в тонких капиллярах диаметром до 5 мм. При больших плотностях тока газ увлекается током от анода к катоду. Для компенсации этого эффекта анодная и катодная области разрядной трубки соединяются дополнит, длинной трубкой малого диаметра, обеспечивающей обратное движение газа.

Ввиду высокой плотности тока для изготовления газоразрядных трубок ионных лазеров применяются металлокерамич. конструкции или трубки из берил-лиевой 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 =0,5145 мкм (зелёный луч) мощностью до неск. десятков вт. Он применяется в технологии обработки твёрдых материалов, при физич. исследованиях, в оптич. линиях связи, при оптич. локации искусств, 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 0,1 вт на волнах 0,4880 мкм (синий), 0,5145 мкм (зелёный), 0,5682 мкм (жёлтый) и 0,6471 мкм (красный луч).

Весьма перспективен лазер на парах кадмия, работающий в непрерывном режиме в синей (0,4416 мкм) и ультрафиолетовой (0,3250 мкм) 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 темп-рой подогревателя. В охладителе около катода Cd конденсируется. Трубка диаметром 2,5 мм и длиной 140 см при давлении Не 4,5 мм рт. ст., темп-ре подогревателя 250 °С, токе разряда 0,12 а и напряжении 4 кв позволяет получить мощность 0,1 вт в синей и 0,004 вт в ультрафиолетовой областях спектра. Кадмиевый лазер применяется в оптич. исследованиях (см. Нелинейная оптика), океанографии, а также фотобиологии и фотохимии.

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.

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, напр, при протекании со сверхзвуковой скоростью через сопло, то его темп-ра резко падает. При внезапном снижении темп-ры молекулярного газа колебательные уровни энергии молекул могут оказаться возбуждёнными (газодинамическое возбуждение). Существует СО₂-лазер с газодинамич. возбуждением. При газодинамич. возбуждении тепловая энергия непосредственно преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Мощность излучения газодинамич. лазеров, работающих в непрерывном режиме, достигает 100 квт.

Химические лазеры. Инверсия населённостей в нек-рых газах может быть создана в результате химич. реакций, при к-рых образуются возбуждённые атомы,

радикалы или молекулы. Газовая среда удобна для химич. возбуждения, т. к. реагирующие вещества легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. Химич. лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химич. энергии в энергию электромагнитного излучения. Примером химич. возбуждения может служить возбуждение при цепной реакции соединения фтора с дейтерием, в результате к-рой получается возбуждённый дейтерид фтора DF, передающий в дальнейшем энергию своего возбуждения молекулам СO₂. Удаление продуктов реакции обеспечивает непрерывный характер работы этих лазеров.

К химич. лазерам примыкают Г. л., в к-рых инверсия населённостей достигается с помощью реакций фотодиссоциа-ции (распада молекул под действием света). Это быстропротекающие реакции, в ходе к-рых возникают возбуждённые радикалы или атомы. Существует лазер на фотодиссоциации молекулы СF₃I (С. Г. Раутиан, И. И. Собельман, СССР). Диссоциация происходит под действием излучения ксеноновой лампы-вспышки. Осколком реакции является возбуждённый атомарный ион I+.

Лит.: Квантовая электроника, М., 1969; Беннет В., Газовые лазеры, пер. с англ., М., 1964; Блум А., Газовые лазеры, "Тр. Ин-та 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.