1.5. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Для таких лазеров в качестве активного вещества используют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия.

Рис. 12. Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси

Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней (рис. 12). В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно на уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 — из десяти подуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.

Схема излучающей головки лазера приведена на рис. 13. Она состоит из газоразрядной трубки, охваченной электродами, к которым подводится высокочастотное поле, и двух сферических зеркал, находящихся вне трубки. Выходные окна трубки расположены под углом

Рис. 13. Схема излучающей головки газового лазера с внешними зеркалами

Брюстера к оптической оси прибора. Это обеспечивает наименьшие потери энергии при многократном прохождении светового потока между зеркалами резонатора. Излучение газового лазера отличается от излучения рубинового лазера режимом генерации (непрерывный), более высокой монохроматичностью и когерентностью и большей направленностью — его угловая расходимость не превышает одной угловой минуты. Выходная мощность такого лазера составляет 0,5... 10 мВт при потребляемой мощности около 40...90 Вт.

В качестве активного вещества практически можно использовать все инертные газы. Получено излучение от чистого неона, криптона, ксенона, аргона, от гелий-ксеноновой смеси, аргоно-кислородной смеси и др. Получено излучение от паров цезия, от паров воды, от паров ртути, от углекислого газа.

Современные газовые лазеры — газодинамические, электродинамические и электроионизационные генерируют более мощное излучение, чем твердотельные (до 2000 Дж). Перспективны химические лазеры, которые могут работать в диапазоне от 0,34 до 11 мкм и позволяют изменять длину волны излучения. Они обладают высоким (до 50%) кпд.

Значительное развитие получил газовый лазер, работающий на смеси азота с углекислым газом. Его излучение сосредоточено на волне 10,6 мкм, и работает он в непрерывном режиме. Отличается высоким кпд — до 75%. поскольку излучение такого лазера приходится на «окно прозрачности» атмосферы, то он широко используется

для связи, а за рубежом для моделирования систем поражения [14].

Характеристики некоторых отечественных газовых Лазеров приведены в табл. 3.

Таблица 3 (см. скан) Характеристики отечественных газовых лазеров [15]

В середине 70-х годов в СССР и США были созданы -лазеры высокого давления (десятки атмосфер), получившие название электроионизационных [13]. Существенное повышение давления активной среды потребовало принципиального усложнения системы накачки. В таком лазере возбуждение молекул осуществляется в два этапа. На первой стадии активное вещество облучается мощным электронным пучком от специального ускорителя электронов. Высокоэлектронные пучки пронизывают активную среду и, сталкиваясь на своем пути с молекулами газа, ионизируют последние, т. е. порождают вторичные, электроны по всему объему. Такая предварительная ионизация создает условия для последующего зажигания разряда в плотной газовой среде также равномерно по всему объему.

В отсутствие электронного пучка или какого-либо другого предварительного ионизирующего воздействия (например, проникающего излучения квантов высоких энергий), т. е. с помощью только высоковольтного разряда, невозможно возбуждение молекул и создание инверсности в газе высокого давления. Создание электроионизационных лазеров открыло принципиально новый путь получения лазеров большой энергии.