ГАЗОДИНАМИ́ЧЕСКИЙ ЛА́ЗЕР

ГАЗОДИНАМИ́ЧЕСКИЙ ЛА́ЗЕР, га­зо­вый ла­зер, в ко­то­ром те­п­ло­вая энер­гия га­за пре­об­ра­зу­ет­ся в энер­гию оп­тич. из­лу­че­ния. Прин­цип дей­ст­вия Г. л. ос­но­ван на раз­ли­чии тем­пе­ра­тур­ных за­ви­си­мо­стей вре­мён ре­лак­са­ции энер­ге­тич. 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 бо́льшими вре­ме­на­ми жиз­ни по срав­не­нию с элек­трон­ны­ми и вра­ща­тель­ны­ми уров­ня­ми. Пер­вый Г. л. (на CO₂) был соз­дан К. Па­те­лем (США) в 1964.

Г. л. со­сто­ит из по­сле­до­ва­тель­но рас­по­ло­жен­ных фор­ка­ме­ры, сверх­зву­ко­во­го со­пла и оп­ти­че­ско­го ре­зо­на­то­ра. В фор­ка­ме­ре темп-ру 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 Г. л. на сме­си га­зов, в ко­то­рой из­лу­чаю­щей ком­по­нен­той яв­ля­ют­ся мо­ле­ку­лы СО₂. Ин­вер­сия на­се­лён­но­стей воз­ни­ка­ет меж­ду уров­ня­ми разл. 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.

Г. л. на СО₂ ра­бо­та­ет и на др. ко­ле­ба­тель­ных пе­ре­хо­дах (дли­ны волн ге­не­ра­ции 18,4–16,2 мкм), на ко­то­рых для по­лу­че­ния ин­вер­сии не­об­хо­ди­мо соз­дать свои спе­ци­фич. ус­ло­вия (по со­ста­ву сме­си га­зов, сте­пе­ни рас­ши­ре­ния со­пло­во­го ап­па­ра­та и др.).

Максимальные энер­ге­тич. ха­рак­те­ри­сти­ки Г. л. 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 Г. л. од­ним из наи­бо­лее мощ­ных ла­зе­ров ИК-диа­па­зо­на (уров­ни мощ­но­сти по­ряд­ка 1 МВт).

Кро­ме СО₂, в ка­че­ст­ве ра­бо­чих мо­ле­кул Г. л. ис­поль­зу­ют и др. трёх­атом­ные га­зы (N₂O, COS, CS₂), а так­же не­ко­то­рые двух­атом­ные ге­те­роя­дер­ные мо­ле­ку­лы (СО, HCl и др.).