6.5.2.2 Ионные лазеры
Ионные лазеры имеют в качестве рабочих веществ ионизированные инертные газы (Хе, Kr, Ar, Ne), а также ионы фосфора, серы, хлора, кадмия, цинка и др.
В ионных газовых лазерах лазерные переходы происходят между уровнями одно- или двукратно ионизированных атомов. Этому способствуют большие плотности тока при ионизации газов. Инверсия населенностей уровней осуществляется между уровнями Е3 и Е4. Уровень Е4 с большим временем жизни сильно заселяется возбужденными атомами. Атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми электронами в газовом разряде, а также путем перехода с полосы Е5 (Рисунок - 6.15).
Рисунок - 6.15. Схема уровней, используемых в ионных лазерах
Уровень E3 имеет короткое время жизни относительно уровня и поэтому он быстро опустошается. Для сильной ионизации газа ток пропускают через длинный капилляр, который охлаждается из-за большой выделяемой энергии. Для увеличения концентрации электронов в центре капилляра создается продольное магнитное поле, которое сжимает разряд и предохраняет стенки от разрушения. На Рисунок - 6.16 приведена одна из схем ионного лазера.
Рисунок - 6.16. Схема ионного лазера на аргоне: 1 — трубка обратной циркуляции газа
Первичные электроны генерируются катодом и на своем пути в разрядной трубке ионизируют газ. Для компенсации перекачки газов используют длинную трубку, которая не шунтирует газовый разряд.
Разряд в газе возбуждается постоянным, либо переменным высокочастотным полем.
Наибольшее распространение получил аргоновый лазер. Он генерирует в сине-зеленой части спектра на длинах волн 0,488 и 0,514 мкм. Аргоновые лазеры могут излучать и в УФ-части спектра (0,340—0,370 мкм). Мощность излучения достигает киловатта. Аргоновый лазер может работать как в непрерывном, так и импульсном режимах. Криптоновые лазеры генерируют излучение в красной части спектра (0,65—0,86 мкм).
6.5.2.3 Молекулярные лазеры
Молекулярные лазеры представляют собой оптические квантовые генераторы, в качестве активного вещества которых используются молекулы. В отличие от атомов, молекулы газов имеют кроме электронных энергетических уровней также колебательные и вращательные.
Первый молекулярный лазер был реализован на смеси молекулах углекислого газа и азота. Молекула СO2 имеет три частоты собственных возбуждаемых колебаний, которым соответствуют уровни Е3, Е4, Е5 (Рисунок - 6.17). Заселение этих уровней происходит вследствие нескольких одновременно протекающих процессов. Молекулы углекислого газа возбуждаются при соударении с быстрыми электронами в газовом разряде. Одновременно вводится азот и в газовом разряде происходит ионизация молекул азота и углекислого газа. Возбуждается уровень Е2 в молекуле азота и уровень Е5 в молекуле углекислого газа. Молекулы азота возбуждаются весьма интенсивно и энергию возбуждения резонансно передают молекулам СO2.
В дальнейшем происходит переход с полосы уровней Е5 на нижележащие уровни с одновременным излучением. Причем генерация возникает на большом числе переходов молекулы СO2 в интервале волн от 9 до 18 мкм.
На Рисунок - 6.17 приведена схема мощного лазера. В электрическом разряде имеют место нежелательные эффекты, такие как разогрев газа и диссоциация его молекул. Эти паразитные эффекты устраняются тем, что газовая смесь непрерывно прокачивается через разрядные трубки лазеров с целью регенерации газовой смеси.
Рисунок - 6.17. Схема уровней молекул углекислого газа и азота
Рисунок - 6.18. Схема мощного СO2 лазера: 1 — зеркала радиатора; 2 — блок управления лазером с системой блокировки; 3 — источник питания; 4 — смеситель газов; 5 — блок управления водяным охлаждением; 6 — система поворотных призм; 7 — система прокачки; 8 — анодный блок, 9 — многократно свернутый оптический резонатор; 10 — лазерный луч
Газовая смесь прокачивается через разрядные трубки, составляющие многократно свернутый оптический резонатор. С одного метра активной среды такого лазера можно получить лазерное излучение мощностью более 50 Вт на длине волны 10,6 мкм. Повышение удельной мощности можно получить путем интенсивного охлаждения рабочей смеси. Лазеры, в которых возбуждение рабочей смеси достигается за счет возбуждения разряда высокого давления и пучком быстрых электронов с энергией до 500 кэВ, носят название электроионизационных СO2-лазеров. В таком типе лазеров с одного метра активной среды можно снять до 100 Дж и достигнуть максимальной энергии свыше 10 кДж.
Особую техническую трудность представляет вопрос лазерных зеркал. Их делают из кристаллов КСl, ZnSе, СdТе, n-Gа, NaСl. Большая выходная мощность излучения выводится не как обычно, через полупрозрачное зеркало, а через прозрачное для ИК-излучения окно в зеркале. В этом случае изготовляют охлаждаемые водой зеркала из бронзы, молибдена и других металлов.
Помимо молекулярных лазеров на СO2 разработаны лазеры на моноокиси углерода СО, на парах воды, работающие на длинах волн λ= 27,9 мкм, λ = 118,6 мкм.
В далеком ИК-диапазоне (λ = 337 мкм) работают лазеры на молекулах НСN
Коэффициент полезного действия молекулярных лазеров лежит в пределах 20—40%, а максимальная мощность 100 кВт и более.