11.6. Жидкостные и химические лазеры

Жидкостные лазеры. Жидкостным называют лазер с жидкост­ной активной средой. В этих лазерах можно обеспечить примерно такую же концентрацию активных частиц, как в твердотельных, и, следовательно, получить высокий энергосъем с единицы объема активной среды. Важным преимуществом жидкой активной среды является отсутствие потерь излучения из-за неоднородности структуры активного вещества. Нет технологических трудностей, связан­ных с изготовлением стержней, необходимых для твердотельных лазеров. Легко решается проблема отвода тепла: для этого доста­точно применить циркуляцию жидкости в резонаторе.

К недостаткам жидкостных лазеров следует отнести неболь­шой срок сохраняемости растворов, появление в среде «тепловой» линзы с фокусным расстоянием, меняющимся в течение длитель­ности импульса излучения. Первая причина приводит к значи­тельному изменению мощности излучения, а вторая — к сущест­венному возрастанию расходимости выходного излучения до еди­ниц, а иногда и до десятков градусов.

Используются растворы редкоземельных хелатов, растворы неорганических соединений редкоземельных элементов и растворы органических красителей. Редкоземельные хелаты представляют собой сложные органические комплексы, в которых ионы редкоземельного элемента находятся в окружении атомов кислорода, при­надлежащих органическим молекулам. Среди многочисленного класса хелатов в лазерной технике наиболее перспективен бензоилацетанат европия. Длина волны излучения

В лазерах на неорганических соединениях используются раст­воры солей неодима в оксихлориде селена Свойства иона неодима в растворе подобны свойствам этого иона в кристал­лической решетке. Используются те же рабочие уровни, что и в твердотельных лазерах на стеклах с примесью неодима. Недостат­ком раствора на основеявляется его токсичность и высокая коррозионная активность. Менее токсичным является другой растворитель — оксихлорид фосфата

Конструкция жидкостного лазера подобна конструкции твердотельного с тем отличием, что вместо стержня в резонатор помещается кювета с раствором. Инверсия, как и в твердотельном лазере, осуществляется с помощью оптической накачки от импульсных ламп. Лазеры на основе неорганических сред работают толь­ко в импульсном режиме. Средняя мощность излучения достигает а импульсная(в режиме модуляции добротности).

В лазерах на основе органических красителей используются растворы родамина, пиронина, трипафлавина. Растворителями служат вода, спирты, глицерин и др. Инверсия осуществляется между колебательно-вращательными уровнями молекул красите­ля. В непрерывном режиме используется только лазерная накач­ка, а в импульсном — лазерная и ламповая накачки. Импульсная мощность излучения достигает несколько мегаватт. Длительность импульсов при ламповой накачке а при лазерной — Отличительной особенностью лазеров на основе органи­ческих красителей является возможность изменения длины волны излучения в широких пределах. Объясняется это большой шири­ной спектральной линии излучения среды, достигающей Это позволяет с помощью частотно-селективного элемента (на­пример, дифракционной решетки) осуществлять плавную пере­стройку частоты лазера в широком диапазоне. Перестраивать ча­стоту можно также сменой красителя. Существующий набор кра­сителей позволяет создать лазеры с перестройкой от ультрафиоле­товой до ближней инфракрасной области спектра.

Лазеры на красителях обладают большим коэффициентом уси­ления и невысоким порогом накачки. Это позволяет создавать ма­логабаритные лазеры с перестраиваемой длиной волны.

Химические лазеры. Химическими называют лазеры, в которых инверсия создается во время химической реакции, приводящей к образованию атомов или молекул в возбужденном состоянии. Хи­мические лазеры можно разделить на три группы в зависимости от способа осуществления химической реакции. Это либо фотодис­социация¹ молекул, либо диссоциация молекул при электрическом разряде в газе, либо взаимодействие соответствующих молекул и атомов и их соединений.

В первой группе при достаточно высокой энергии фотонов внешнего излучения молекула распадается на атомы, при этом один из атомов распавшейся молекулы может оказаться в воз­бужденном состоянии, пригодном для получения инверсии населенностей. Уровень возбужденного атома используется как верх­ний уровень лазерного перехода. В лазере на бромиде таллия фотодиссоциация молекул производится световым излучением ртутного разряда с длиной волныЭтот лазер генерирует колебания с длиной волны

Рассмотрим теперь лазеры второй группы. Здесь диссоциация молекул происходит при электрическом разряде в газе. Например, в смеси неона и кислорода путем передачи энергии от метастабильных атомов неона к молекулампроисходит возбуж­дение молекул кислорода, которые, будучи энергетически неустой­чивыми, диссоциируют на атомы кислорода, один из которых бу­дет находиться в возбужденном состоянии. Происходит излучение с длиной волны

Фотодиссоциация молекул — это распад молекул под действием света.

Рассмотрим химический газодинамический лазер. Схема лазе­ра приведена на (рис. 11.15). В рабочую камеру 1 поступают моле­кулярный азот и гексафторид серы С помощью дугового подогревателя азот нагреваетсядо температуры 2500°С и смеши­вается с газообразным гекса-фторидом серы. Из-за переда­чи тепловой энергии от моле­кул азота молекулам происходит диссоциация последних с образованием атомов фтораF. Затем газовая смесь со сверхзвуковой скоростью проходит через сопло2 и к ней добавляется молекулярный водород Происходит химическая реакция видав результате которой возникают возбужденные молекулы фтористого водородакоторые в оптическом резонаторе3 генерируют колебания с длиной волны Мощность излучения такого лазера в непрерыв­ном режиме составила

Интересны химические лазеры, работающие на прямом преоб­разовании энергии химических реакций в энергию когерентного оптического излучения. Желательно, чтобы при этом не требова­лись дополнительные внешние источники энергии. Лазер состоит из камеры предварительного смешивания реагентов, зоны химиче­ской реакции, которая может одновременно являться и активной зоной генерации вынужденного излучения. Рассмотрим кратко принцип работы такого лазера. Смешиваются газы иНачинается реакцияПри достижении впол­не определенной концентрации атомарного фтора производится инжекция дейтерияВозникают реакцииис образованием возбужденных молекулЗатем между возбужденными молекуламии молекуламипроис­ходит резонансный обмен энергией, в результате которого моле­кулапереходит в возбужденное состояние. Генерацияосу­ществляется на длине волны Выходная мощность такого лазера в непрерывном режиме составила десятки ватт. Подобные лазеры еще не вышли из стен научных лабораторий, работы над их усовершенствованием продолжаются, ожидается существенное улучшение параметров химических лазеров. Отсут­ствие громоздких внешних источников энергии обеспечат им широ­кое распространение.