ГАЗОРАЗРЯ́ДНЫЙ ЛА́ЗЕР

ГАЗОРАЗРЯ́ДНЫЙ ЛА́ЗЕР, наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ный класс га­зо­вых ла­зе­ров, в ко­то­рых для фор­ми­ро­ва­ния ак­тив­ной сре­ды ис­поль­зу­ют­ся элек­трич. раз­ря­ды разл. ти­пов в га­зах, па­рах ме­тал­лов и их сме­сях (тлею­щий раз­ряд, раз­ряд в по­лом ка­то­де, им­пульс­ные раз­ря­ды и др.). Пер­вый Г. л. (ге­лий-нео­но­вый) по­явил­ся в 1961 (амер. фи­зик А. Джа­ван). При пе­ре­хо­де к дав­ле­ни­ям га­за по­ряд­ка ат­мо­сфер­но­го и вы­ше (не­об­хо­ди­мо­го для уве­ли­че­ния мощ­но­сти Г. л.) 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 Г. л. вы­со­ко­го дав­ле­ния час­то при­ме­ня­ют по­пе­реч­ный раз­ряд с пре­дио­ни­за­ци­ей. С по­мо­щью Г. л. по­лу­че­на ге­не­ра­ция на ты­ся­чах спек­траль­ных ли­ний в диа­па­зо­не от суб­мил­ли­мет­ро­во­го до рент­ге­нов­ско­го. Су­ще­ст­ву­ют Г. л. 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 осн. 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 Г. л. 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 осн. 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 прак­тич. ин­те­рес пред­став­ля­ет ге­не­ра­ция из­лу­че­ния на пе­ре­хо­дах с ре­зо­нанс­ных на ме­та­ста­биль­ные уров­ни ато­мов ме­тал­лов (Cu, Ba, Mn, Pb, Au, Eu и др.). Дли­тель­ность ин­вер­сии на­се­лён­но­стей на та­ких пе­ре­хо­дах ог­ра­ни­че­на на­ко­п­ле­ни­ем час­тиц на ниж­нем уров­не. Наи­боль­шие ср. мощ­ность и эф­фек­тив­ность ге­не­ра­ции дос­тиг­ну­ты на пе­ре­хо­дах ато­ма ме­ди (λ=510,6 и 578,2 нм). Кпд ла­зе­ра на па­рах ме­ди обыч­но ок. 1%, ср. 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 темп-ре раз­ряд­ной труб­ки 700–1600 °С. Для умень­ше­ния ра­бо­чей темп-ры ис­поль­зу­ют ла­зе­ры на га­ло­ге­ни­дах ме­тал­лов. При­сут­ст­вие в ак­тив­ной сре­де этих ла­зе­ров не­боль­ших до­ба­вок элек­тро­от­ри­ца­тель­ных мо­ле­кул (HBr, HCl) по­зво­ля­ет уве­ли­чить кпд при­бли­зи­тель­но до 3% и ра­бо­тать при бо­лее вы­со­кой час­то­те по­вто­ре­ния им­пуль­сов.

Ион­ный Г. л. При воз­бу­ж­де­нии элек­тро­на­ми ато­мар­ных ио­нов разл. крат­но­сти по­лу­че­на не­пре­рыв­ная и им­пульс­ная ге­не­ра­ция на боль­шом чис­ле пе­ре­хо­дов (неск. 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 Аr⁺-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 (неск. по­сле­до­ва­тель­ных пе­ре­хо­дов) с бо­лее вы­со­ких уров­ней. Ниж­ние ра­бо­чие уров­ни бы­ст­ро опус­то­ша­ют­ся в ре­зуль­та­те спон­тан­но­го ис­пус­ка­ния. Мощ­ность пром. об­раз­цов это­го ла­зе­ра со­став­ля­ет еди­ни­цы – де­сят­ки ватт при кпд по­ряд­ка 0,1%, мощ­ность ла­бо­ра­тор­ных ва­ри­ан­тов дос­ти­га­ет 500 Вт. 

В др. ти­пе ион­ных ла­зе­ров для соз­дания ин­вер­сии на­се­лён­но­стей ис­поль­зу­ют пе­ре­за­ряд­ку ио­нов и т. н. про­цесс Пен­нин­га, в ко­то­рых воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния ра­бо­чих ио­нов об­ра­зу­ют­ся за счёт пе­ре­да­чи энер­гии от ио­на или ме­таста­биль­но­го ато­ма инерт­но­го бу­фер­но­го га­за (обыч­но He 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 неск. мил­ли­ватт на ли­нии 325,0 нм. Близ­ки­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми об­ла­да­ет Не–Se-ла­зер, из­лу­чаю­щий на мн. 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 He–Ca-ла­зе­ра­ми на ли­ни­ях ио­нов Sr⁺ (λ=430,5 и 416,2 нм) и Ca⁺ (λ=373,7 и 370,6 нм). На ли­ни­ях Sr⁺ по­лу­че­на ге­не­ра­ция со ср. 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 темп-ры. Од­на­ко пря­мое воз­бу­ж­де­ние мо­ле­кул элек­трон­ным уда­ром по­зво­ли­ло по­лу­чить им­пульс­ную ге­не­ра­цию из­лу­че­ния на элек­трон­ных пе­ре­хо­дах мо­ле­кул N₂, H₂, D₂, HD, СО, NO. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён N₂-ла­зер, из­лу­чаю­щий на мн. элек­трон­но-ко­ле­ба­тель­ных пе­ре­хо­дах с вра­ща­тель­ной струк­ту­рой в об­лас­ти длин волн ок. 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 неск. 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 осн. со­стоя­нии (та­кие мо­ле­ку­лы, со­стоя­щие из оди­на­ко­вых ато­мов или атом­ных групп, напр. Xe₂, Kr₂, Ar₂, на­зы­ва­ют­ся эк­си­мера­ми, а из разл. ато­мов, напр. XeF, KrF, – эк­си­п­лек­са­ми). Час­то все ла­зе­ры это­го ти­па на­зы­ва­ют эк­си­мер­ны­ми. Для этих Г. л. ха­рак­тер­ны слож­ные про­цес­сы за­се­ле­ния верх­них ра­бо­чих со­стоя­ний, вклю­чаю­щие обыч­но столк­но­ви­тель­ные и хи­мич. 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 (см. Эк­си­мер­ный ла­зер). Ла­зе­ры это­го ти­па ис­поль­зу­ют­ся в фо­то­хи­мии и фо­то­ли­то­гра­фии при про­из­вод­ст­ве ин­те­граль­ных схем.

Г. л. на ко­ле­ба­тель­ных пе­ре­хо­дах мо­ле­кул – наи­бо­лее мощ­ные и эф­фек­тив­ные в сред­нем ИК-диа­па­зо­не. Ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся CO₂-ла­зер, в обыч­ных ус­ло­ви­ях ге­не­ри­рую­щий из­лу­че­ние с дли­на­ми волн 10,4 мкм и 9,4 мкм. В ка­ж­дой по­ло­се ге­не­ра­ция мо­жет быть по­лу­че­на на мн. пе­ре­хо­дах вра­ща­тель­но­го спек­тра. На­кач­ка на верх­ний ра­бо­чий уро­вень в осн. 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 CO₂ эф­фек­тив­ную ге­не­ра­цию с по­мо­щью мн. спо­со­бов на­кач­ки. Су­ще­ст­ву­ют не­пре­рыв­ные и им­пульс­ные СО₂-ла­зе­ры. Не­пре­рыв­ные ла­зе­ры обыч­но воз­бу­ж­да­ют­ся в про­доль­ных труб­ках тлею­ще­го раз­ря­да, на­пол­нен­ных сме­сью CO₂+N₂+Не. Для уве­ли­че­ния мощ­но­сти из­лу­че­ния (от не­сколь­ких ки­ло­ватт до де­сят­ков ки­ло­ватт) ис­поль­зу­ют про­кач­ку ра­бо­чей сме­си. С им­пульс­ны­ми СО₂-ла­зе­ра­ми по­лу­ча­ют энер­гию ге­не­ри­руе­мых им­пуль­сов в неск. ки­лод­жо­улей.

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

Осо­бое ме­сто сре­ди Г. л. 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 (см. Хи­ми­че­ский ла­зер). В этих ла­зе­рах ин­вер­сия на­се­лён­но­стей соз­да­ёт­ся за счёт энер­гии, вы­де­ляе­мой в про­цес­се хи­мич. 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 ко­ле­ба­тель­но-воз­бу­ж­дён­ных мо­ле­кул DF, воз­ни­каю­щих в про­цес­се хи­мич. ре­ак­ции.