Газодинамический лазер

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР, газовый лазер, в котором тепловая энергия газа преобразуется в энергию оптического излучения. Принцип действия газодинамического лазера основан на различии температурных зависимостей времён релаксации энергетических уровней молекул, что при быстром охлаждении газа ведёт к возникновению инверсии населённостей некоторых уровней. Обычно для получения инверсии при охлаждении используют колебательные уровни молекул, обладающие большими временами жизни по сравнению с электронными и вращательными уровнями. Первый газодинамический лазер (на СО₂) был создан К. Пателем (США) в 1964 году.

Газодинамический  лазер состоит из последовательно расположенных форкамеры, сверхзвукового сопла и оптического резонатора. В форкамере температуру газа максимально повышают, а при течении в сопле он быстро охлаждается. Инверсия населённостей уровней достигается, если нижний уровень релаксирует быстрее верхнего, а время релаксации верхнего уровня больше времени движения газа до резонатора. При выполнении этих условий часть избыточной (сверхравновесной) энергии верхнего уровня в резонаторе трансформируется в энергию лазерного луча.

Наиболее широко используется газодинамический лазер на смеси газов, в которой излучающей компонентой являются молекулы СО₂. Инверсия населённостей возникает между уровнями различных типов колебаний этой молекулы. Соответствующие длины волн генерации 10,4-9,4 мкм. В чистом СО₂ необходимого соотношения между временами релаксации верхнего и нижнего уровней нет, поэтому в смесь в определённых количествах вводят Н₂, Н₂О или Не, обеспечивающие это соотношение. Замедление релаксации верхнего уровня и увеличение полного запаса колебательной энергии достигаются введением в смесь донорного газа N₂, молекулы которого релаксируют медленно и способны передавать энергию на верхние уровни молекул СО₂.

Газодинамический  лазер на СО₂ работает и на других колебательных переходах (длины волн генерации 18,4-16,2 мкм), на которых для получения инверсии необходимо создать свои специфические условия (по составу смеси газов, степени расширения соплового аппарата и др.).

Максимальные энергетические характеристики газодинамического лазера относительно невелики: кпд ≤2-3%, удельная энергия излучения 50-100 кДж/кг, показатель усиления ≤3-5 м^-1. Однако возможность использования больших объёмов газов делает газодинамический лазер одним из наиболее мощных лазеров ИК-диапазона (уровни мощности порядка 1 МВт).

Кроме СО₂, в качестве рабочих молекул газодинамического лазера используют и другие трёхатомные газы (N₂О, COS, CS₂), а также некоторые двухатомные гетероядерные молекулы (СО, НСl и др.).

Лит.: Лосев С. А. Газодинамические лазеры. М., 1977; Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике. 2-е изд. М., 1988.