Газоразрядный лазер

ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР, наиболее распространённый класс газовых лазеров, в которых для формирования активной среды используются электрические разряды различных типов в газах, парах металлов и их смесях (тлеющий разряд, разряд в полом катоде, импульсные разряды и др.). Первый газоразрядный лазер (гелий-неоновый) появился в 1961 году (американский физик А. Джаван). При переходе к давлениям газа порядка атмосферного и выше (необходимого для увеличения мощности газоразрядного лазера) появляются неустойчивости разряда, которые делают активную среду непригодной для возбуждения генерации. Для повышения устойчивости разряда используют предионизацию разрядного объёма пучком заряженных частиц, вспомогательным разрядом, коротковолновым излучением. В газоразрядном лазере высокого давления часто применяют поперечный разряд с предионизацией. С помощью газоразрядного лазера получена генерация на тысячах спектральных линий в диапазоне от субмиллиметрового до рентгеновского. Существуют газоразрядные лазеры на атомных переходах и молекулярные газоразрядные лазеры.

Газоразрядный лазер на атомных переходах. Лазер на нейтральных атомах. Генерация излучения на большом числе атомных линий в области спектра от видимой до далёкой ИК получена в основном на переходах атомов инертных газов. Непрерывная инверсия населённостей рабочих уровней в трёхуровневой системе в большинстве случаев образуется за счёт опустошения (распада) нижнего рабочего уровня в результате спонтанного испускания. Мощность и кпд газоразрядных лазеров этого типа невелики, но эти лазеры просты в изготовлении и эксплуатации. Для их возбуждения обычно используют тлеющий или высокочастотный разряд. Наиболее распространённый лазер этого типа - гелий-неоновый лазер (He-Ne-лазер). Заселение верхних уровней этого лазера происходит в основном путём передачи энергии от метастабильных уровней гелия. Широко используется такой лазер, генерирующий излучение красного цвета (длина волны λ = 632,8 нм). Его мощность изменяется от единиц до десятков милливатт, кпд порядка 0,1%. Кроме того, он генерирует линии в ближней ИК-области (λ≈1,15 мкм и 3,39 мкм). Одно из важных применений лазеров этого типа связано с разработкой стандартов частоты и длины.

В импульсном режиме наибольший практический интерес представляет генерация излучения на переходах с резонансных на метастабильные уровни атомов металлов (Cu, Ва, Mn, Pb, Au, Eu и др.).

Длительность инверсии населённостей на таких переходах ограничена накоплением частиц на нижнем уровне. Наибольшие средняя мощность и эффективность генерации достигнуты на переходах атома меди (λ = 510,6 и 578,2 нм). Кпд лазера на парах меди обычно около 1%, средняя мощность генерации от нескольких ватт до сотен ватт при частоте повторения импульсов 5-20 кГц. Он используется в системах лазерного разделения изотопов. Лазеры этого типа обычно работают в режиме саморазогрева при температуре разрядной трубки 700-1600 °С. Для уменьшения рабочей температуры используют лазеры на галогенидах металлов. Присутствие в активной среде этих лазеров небольших добавок электроотрицательных молекул (НВr, НСl) позволяет увеличить кпд приблизительно до 3% и работать при более высокой частоте повторения импульсов.

Ионный газоразрядный лазер. При возбуждении электронами атомарных ионов различной кратности получена непрерывная и импульсная генерация на большом числе переходов (несколько сотен линий в видимой и УФ областях спектра). Наиболее распространены лазеры в непрерывном режиме, излучающие на переходах ионов инертных газов. Для их возбуждения необходимы разряды с высокой плотностью тока. Непрерывный Ar⁺-лазер генерирует на 10 линиях в сине-зелёной области спектра в диапазоне 454,5-528,7 нм. Заселение верхних рабочих уровней в нём осуществляется ступенчатым возбуждением электронами основного и метастабильного состояний иона, а также каскадами (несколько последовательных переходов) с более высоких уровней. Нижние рабочие уровни быстро опустошаются в результате спонтанного испускания. Мощность промышленных образцов этого лазера составляет единицы - десятки ватт при кпд порядка 0,1%, мощность лабораторных вариантов достигает 500 Вт.

В другом типе ионных лазеров для создания инверсии населённостей используют перезарядку ионов и так называемый процесс Пеннинга, в которых возбуждённые состояния рабочих ионов образуются за счёт передачи энергии от иона или метастабильного атома инертного буферного газа (обычно Не и Ne). Наиболее часто используемый лазер этого типа (Не-Cd-лазер) позволяет получить мощность генерации в непрерывном режиме 10-50 мВт на линии 441,6 нм при кпд порядка 0,1% и несколько милливатт на линии 325,0 нм. Близкими характеристиками обладает He-Se-лазер, излучающий на многих линиях в зелёной области спектра. Для возбуждения ионных лазеров этого типа обычно используют тлеющий разряд, разряд в полом катоде и поперечный ВЧ-разряд. При этом хорошо заселяются уровни, возбуждаемые перезарядкой.

Рекомбинационные лазеры. Инверсия населённостей образуется в процессе трёхчастичной рекомбинации ионов и электронов. В этом процессе уровни атомов или ионов заселяются не «снизу», а «сверху». Генерация возникает во время послесвечения импульсного разряда, когда происходит интенсивная рекомбинация. Наилучшие характеристики генерации получены с He-Sr- и Не-Са-лазерами на линиях ионов Sr⁺ (λ = 430,5 и 416,2 нм) и Са⁺ (λ = 373,7 и 370,6нм). На линиях Sr⁺ получена генерация со средней мощностью до 2 Вт при кпд порядка 0,1%. Рекомбинация многозарядных ионов позволяет получить генерацию излучения в более коротковолновой области спектра, вплоть до рентгеновской.

Молекулярные лазеры. Электронные переходы молекул. Из-за наличия колебательных и вращательных возбуждений электронные уровни молекул расщепляются на большое число подуровней, инверсия населённостей при возбуждении распределяется по большому числу переходов, вследствие чего на электронных молекулярных переходах трудно получить большое усиление. Эта трудность увеличивается для более сложных молекул, а также с повышением температуры. Однако прямое возбуждение молекул электронным ударом позволило получить импульсную генерацию излучения на электронных переходах молекул N₂, Н₂, D₂, HD, СО, NO. Наиболее распространён N₂-лазер, излучающий на многих электронно-колебательных переходах с вращательной структурой в области длин волн около 337,1 нм. Лазер возбуждается, как правило, в поперечном разряде и имеет пиковую мощность порядка 1 МВт при кпд порядка 0,1% и длительности импульса в несколько наносекунд.

Эксимерные и эксиплексные лазеры генерируют излучение на электронных переходах молекул, существующих в виде прочных соединений только в возбуждённых состояниях и распадающихся или слабо связанных в основном состоянии (такие молекулы, состоящие из одинаковых атомов или атомных групп, например Хе₂, Kr₂, Ar₂, называются эксимерами, а из различных атомов, например XeF, KrF, - эксиплексами). Часто все лазеры этого типа называют эксимерными. Для этих газоразрядных лазеров характерны сложные процессы заселения верхних рабочих состояний, включающие обычно столкновительные и химические процессы, приводящие к эффективной передаче энергии от ионов и возбуждённых атомов буферного и рабочего газов на верхние рабочие уровни эксимерной (эксиплексной) молекулы, которые затем распадаются с излучением (смотри Эксимерный лазер). Лазеры этого типа используются в фотохимии и фотолитографии при производстве интегральных схем.

Газоразрядные  лазеры на колебательных переходах молекул - наиболее мощные и эффективные в среднем ИК-диапазоне. Широко используется СО₂-лазер, в обычных условиях генерирующий излучение с длинами волн 10,4 мкм и 9,4 мкм. В каждой полосе генерация может быть получена на многих переходах вращательного спектра. Накачка на верхний рабочий уровень в основном осуществляется при столкновениях и передаче энергии от колебательно-возбуждённой молекулы N₂, находящейся на первом колебательном уровне, энергия которого близка к энергии верхнего рабочего уровня молекулы СО₂. Нижние рабочие уровни быстро опустошаются.

Удобное расположение рабочих уровней и благоприятные характеристики рабочих переходов позволяют получать на переходах молекулы СО₂ эффективную генерацию с помощью многих способов накачки. Существуют непрерывные и импульсные СО₂-лазеры. Непрерывные лазеры обычно возбуждаются в продольных трубках тлеющего разряда, наполненных смесью CO₂ + N₂ + He. Для увеличения мощности излучения (от нескольких киловатт до десятков киловатт) используют прокачку рабочей смеси. С импульсными СО₂-лазерами получают энергию генерируемых импульсов в несколько килоджоулей.

СО₂-лазеры широко используются для резки, сварки и других методов обработки различных материалов там, где требуется большая мощность лазерного излучения.

Особое место среди газоразрядных лазеров на колебательных переходах молекул занимает СО-лазер, обладающий высокой мощностью генерации в непрерывном и импульсном режимах (сравнимой с мощностью генерации СО₂-лазера) и кпд до 60%. СО-лазер генерирует на большом числе переходов, часто наблюдается каскадная генерация, когда нижний уровень одного лазерного перехода является верхним уровнем следующего лазерного перехода и т. д. Инверсия населённостей между колебательными уровнями СО образуется в процессе столкновительной релаксации в условиях, когда возбуждение колебательных состояний молекулы достаточно велико. Охлаждение газа способствует образованию инверсии и увеличивает мощность генерации.

Газоразрядные химические лазеры (смотри Химический лазер). В этих лазерах инверсия населённостей создаётся за счёт энергии, выделяемой в процессе химической реакции, инициируемой в газовом разряде. Часто используют лазеры, генерирующие на колебательных переходах молекул HF (λ≈2,5-3,2 мкм) и DF (λ≈3,4-4,1 мкм), а также лазер на переходах молекулы СО₂, инверсия населённостей у которых создаётся путём передачи энергии от колебательновозбуждённых молекул DF, возникающих в процессе химической реакции.

Лит.: Справочник по лазерам / Под редакцией А. М. Прохорова. М., 1978. Т. 1; Звелто О. Принципы лазеров. 2-е изд. М., 1984; Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике. 2-е изд. М., 1988.