Самый многочисленный тип лазеров - газовые лазеры. Активной средой в
нихслужит газ - чистый или в виде смеси. К этому типу относят и лазеры
на парах металлов РЬ, Си, Аи, Са, Сг, Мп. Состав газа выбирают таким,
чтобы обеспечить наилучшие условия для его возбуждения.
Первоначально газ возбуждали исключительно электрическим разрядом,
позднее стали использовать энергию химических реакций и газодинамических
процессов. В зависимости от механизма возбуждения выделяют лазеры на
нейтральных атомах, ионные и молекулярные.
В лазерах на нейтральных атомах возбуждение наступает при столкновении
электронов с нейтральными атомами или между самими атомами. Среди
газовых лазеров первый успех выпал на долю гелий-неонового (He-Ne)
лазера. Это типичный представитель лазеров на нейтральных атомах, самый
популярный и наиболее распространенный в измерительной технике. Этот
лазер генерирует свет непрерывно на любой из трех длин волн: 0,6328,
1,15 и 3,39 мкм.
Устройство лазера показано на рис. 9, а. В стеклянную или кварцевую
трубку запаивают электроды и закрывают ее по торцам стеклянными
пластинами. Это выходные окна трубки, их располагают обычно под углом
Брюстера к излучению. Трубку наполняют газовой смесью, герметизируют и
помещают между зеркалами резонатора. Возбуждают газовую смесь
электрическим током, который подают на электроды. Под действием
электрического разряда часть атомов гелия ионизируется, и освободившиеся
электроны начинают двигаться в направлении электрического поля. Их
скорость зависит от напряженности поля. На своем пути электроны
встречают нейтральные атомы и при столкновении передают им значительную
часть своей энергии. Атомы возбуждаются и переходят из основного
состояния Е\ на более высокие энергетические уровни Е'г и Е'з (рис. 9,
б).
На этом процесс не заканчивается. Возбужденные атомы гелия сами
становятся источниками энергии. Столкнувшись с атомами неона, они
передают им часть своей энергии и возвращаются в основное состояние Е\.
В свою очередь, возбужденные атомы неона переходят на верхние
энергетические уровни ?4, Еъ. Из рисунка нетрудно заметить, что уровни
Е4, неона очень близки уровням Е'г, Е'3 гелия и точно так же
неустойчивы. Вскоре атомы неона оказываются на уровне Е3, а затем,
пройдя уровень Е2, возвращаются в основное состояние Е1. В процессе этих
переходов происходит выделение энергии. Причем атомы, перешедшие с
уровня на уровень Е3, излучают красный свет с длиной волны К - 0,6328
мкм, а переход с Е4 на Е3 сопровождается излучением невидимых волн
длиной 1,15 мкм. Между уровнями Еь и Е4 есть еще один неустойчивый
уровень Еь. Переход атомов на этот уровень вызывает генерацию излучения
с длиной волны 3,392 мкм. Какую волну будет генерировать лазер, зависит
от длины оптического резонатора. Одни волны он подавляет, другие
усиливает и пропускает. При этом важно правильно выбрать коэффициент
отражения зеркал, чтобы они давали максимальное отражение на желаемой
длине волны.
Поскольку выходные окна лазеров установлены под углом Брюстера к
излучению, они служат поляризаторами и согласно закону Френеля
пропускают линейно поляризованный свет. Мощность излучения He-Ne лазеров
невысокая, до 100 мВт, но ее вполне достаточно для работы многих
оптических приборов. Сейчас это самый распространенный источник
излучения в измерительной технике. В этом не последнюю роль играют его
уникальные свойства - когерентность и монохроматичность.
Наряду с гелий-неоновой смесью в лазерах используют чистые инертные
газы. Обычно они излучают красный или невидимый свет ИК диапазона с
длиной волны от 1 до 10 мкм. Источником энергии в них также служат
возбужденные нейтральные атомы. Те же механизмы действуют и в лазерах на
парах металлов, таких как медь, золото, кальций, марганец. Их
конструкция напоминает He-Ne лазер. Однако есть и свои особенности.
Например, трубку изготовляют не из стекла, а из окиси алюминия, помещают
ее в печь и разогревают до высоких температур (до 1500 °С), так как пары
металла не должны остывать. И еще одна особенность: лазеры на парах
металлов способны работать без зеркал - так велико их усиление. Но все
же, чтобы придать излучению наибольшую направленность и обеспечить более
низкий порог генерации, на одном из концов трубки закрепляют
высокоотражающее зеркало.
Особенно интересен лазерный излучатель на парах меди. Работает он
исключительно в импульсном режиме, излучая зеленей (Х = 0,5105 мкм) и
желтый (А.= = 0,5782 мкм) свет. По мощности он значительно превосходит
гелий-неоновый лазер. Мощность его импульсов достигает 40 Вт, а частота
их следования около 15 кГц. Этим лазером часто пользуются для работы в
морской воде (например, для поиска объектов под водой или для подводной
связи), поскольку морская вода меньше всего поглощает зеленый свет.
Обратимся теперь к ионным лазерам. Для примера рассмотрим аргоновый
лазер и сравним его с гелий-неоновым. Накачка у них осуществляется
одинаково - с помощью электрического разряда. Но механизм возбуждения
активной среды, т. е. газа, различен. Правда, первоначально и в
гелий-неоновом, и в аргоновом лазерах свободные электроны, двигаясь с
большой скоростью под действием электрического тока, сталкиваются с
нейтральными атомами и ионизируют их. На этом сходство лазеров
кончается. При повторном столкновении с электронами ионы аргона
возбуждаются и становятся источниками энергии. Переходя в основное
состояние, они излучают свет в сине-зеленой части спектра. Аргоновый
лазер может генерировать 9 длин волн, из которых наиболее
интенсивны голубая (Х=0,488 мкм) и зеленая (^.=0,5145 мкм). Чтобы
процесс возбуждения был эффективным, плотность тока должна быть намного
больше, чем в лазерах на нейтральных атомах - несколько тысяч ампер на
квадратный сантиметр. С ростом тока разряда соответственно увеличивается
и выходная мощность лазера, одновременно резко повышается температура в
области разряда (она может достигать 3000 К), поэтому трубку изготовляют
из жаропрочного стекла, керамики или графита и тщательно охлаждают,
особенно в области электродов. Уже через несколько секунд после
включения тока в трубке наблюдается перепад давления газа. Это
происходит вследствие того, что ионы аргона устремляются к катоду. Чтобы
выровнять давление, используют отводной канал (рис. 10). Мощность
аргоновых лазеров на несколько порядков выше, чем гелий-неоновых; она
может достигать 500 Вт, но КПД очень мал (меньше 0,01 %).
Рассмотрим молекулярные лазеры. Наибольшего внимания среди них
заслуживает лазер на углекислом газе (С02) - самый мощный из непрерывно
излучающих лазеров. Его мощность достигает 600 кВт, весьма высок и КПД:
теоретический предел составляет 40 %, практический же в различных
установках колеблется от 8 до 30 %.
В чем особенность работы такого лазера? Источником энергии в СО2 лазере
становятся не атомы, а возбужденные молекулы СО2. Толчок для возбуждения
дает электрический ток. Под его воздействием свободные электроны
соударяются с молекулами СО2 и возбуждают их, переводя на верхний
энергетический уровень. Возвращаясь затем из возбужденного состояния в
основное, молекулы СО2 испускают волны длиной 10,6 и 9,6 мкм. Практика
показала, что достичь больших мощностей с помощью чистого СОг газа
невозможно. Поэтому стали использовать смесь его с азотом и гелием. Это
позволило получить еще один механизм возбуждения молекул СО2. Под
ударами электронов возбуждаются молекулы азота. Теперь уже не только
электроны, но и молекулы азота участвуют в возбуждении молекул
углекислого газа. Число возбужденных молекул СО2 растет, увеличивается и
мощность излучения.
Электрический разряд не только вдыхает жизнь в лазер, но и
одновременно укорачивает ее. Он разрушает молекулы СО2, разлагая их на
кислород и угарный газ, что со временем ведет к срыву генерации.
Единственный путь продлить жизнь лазера - это удалить продукты
разложения, прокачивая смесь через газоразрядную трубку. Первоначально
смесь прокачивали вдоль разряда, что позволяло не только обновлять
состав газа, но и отводить тепло, выделяемое при разряде. Надо сказать,
что вопросу теплоотвода в СО2 лазере уделяется повышенное внимание, так
как с ростом температуры снижается мощность лазерного излучения.
Однако это только полумера, так как прокачка газа не решает полностью
проблему теплоотвода, поэтому газорязрядную трубку приходится охлаждать
проточной водой. Решению этой задачи служит и введенный в смесь гелий.
Но принцип продольной прокачки газа также оказался недостаточно
эффективен. Он позволяет получать с 1 м разряда непрерывное излучение
мощностью не более 50 Вт. Поэтому мощные лазеры, как правило, имеют
длинные трубки - до нескольких десятков метров. Изготавливают трубки в
виде змеевика из нескольких отдельных звеньев, которые оптически связаны
между собой с помощью зеркал. Однако с ростом числа зеркал одновременно
увеличиваются потери энергии и уменьшается КПД лазера. Так, КПД лазера
мощностью 500 Вт составляет всего 15 %.
Шагом вперед стала замена продольной прокачки газа поперечной. Газ
прокачивают по замкнутому контуру и охлаждают в теплообменнике (рис.
11). Благодаря такой системе выходная мощность СО2 лазера возросла до 15
кВт. Но и это не оказалось пределом. В последнее время появились так
называемые газодинамические СО2 лазеры (рис. 12). Возбуждение молекул
СО2 в них создается не электрическим разрядом, а за счет расширения со
сверхзвуковой скоростью газовой смеси, которая предварительно
нагревается в камере сгорания. Мощность этих лазеров достигает 600 кВт
непрерывного излучения, что превосходит мощности всех известных в
настоящее время лазеров, однако КПД невысок - всего 1 %. Луч такого
лазера способен прожечь даже алмаз. Это говорит о богатых возможностях
применения газодинамического лазера. Сейчас СО2 лазеры используют,
например, в спутниковых системах связи. С их помощью можно передавать
информацию на расстояние до 45 тыс. км менее чем за 20 с, переключая с
одного спутника на другой. По сравнению с высокочастотной радиосвязью
лазерная связь удобнее. Она обеспечивает большее число каналов, имеет
меньший уровень ошибок, ее труднее перехватить.
По мощности с СО2 лазером может конкурировать лишь СО лазер, который
к тому же имеет большой КПД - около 60 %. Однако, чтобы достигнуть
такого значения, необходимо охлаждать лазер до 77 - 100 К. Генерирует СО
лазер в спектральном диапазоне 0,5...0,66 мкм.
Для полноты картины следует упомянуть еще об одном молекулярном лазере -
азотном. Этот лазер переносит нас в ультрафиолетовую область спектра
(А,= = 0,337 мкм). Он излучает короткие мощные импульсы (до 100 кВт)
длительностью менее 10 не, поэтому азотный лазер часто используют для
изучения быстропротекающих процессов.
Еще более короткие волны генерирует водородный лазер. Он излучает в
области вакуумного ультрафиолета вблизи линий спектра 0,160 и 0,116 мкм.
Следует отметить, что длина волны 0,116 мкм - самая короткая, которую до
сих пор, несмотря на многочисленные попытки, удалось получить с помощью
лазеров.
