СО2-ЛА́ЗЕР

СО₂-ЛА́ЗЕР, га­зо­вый ла­зер, ге­не­ри­рую­щий из­лу­че­ние на пе­ре­хо­дах ме­ж­ду ко­ле­ба­тель­ны­ми уров­ня­ми мо­ле­ку­лы ди­ок­си­да уг­ле­ро­да. Мощ­ность ге­не­ра­ции в сред­нем ИК-диа­па­зо­не в не­пре­рыв­ном ре­жи­ме – от до­лей Вт до МВт, кпд – до 25%. При­ме­ня­ет­ся в об­ра­бот­ке ма­те­риа­лов, ме­ди­ци­не, се­лек­тив­ной хи­мии (в т. ч. для раз­де­ле­ния изо­то­пов), свя­зи, ло­ка­ции, со­про­во­ж­де­нии и по­ра­же­нии це­лей и др.

Принцип действия

Прин­цип дей­ст­вия СО₂-л. свя­зан с осо­бен­но­стя­ми об­ме­на энер­ги­ей мо­ле­ку­ляр­ных ко­ле­ба­ний при столк­но­ве­ни­ях мо­ле­кул. В мо­ле­ку­ле СО₂ мож­но вы­де­лить груп­пы уров­ней, со­от­вет­ст­вую­щих ан­ти­сим­мет­рич­ным, сим­мет­рич­ным и де­фор­ма­ци­он­ным ко­ле­ба­ни­ям (мо­дам). При столк­но­ве­ни­ях мо­ле­кул об­мен кван­та­ми в пре­де­лах од­ной мо­ды про­ис­хо­дит с час­то­той, как пра­ви­ло пре­вы­шаю­щей час­то­ты их воз­бу­ж­де­ния и де­зак­ти­ва­ции. Вслед­ст­вие это­го в ка­ж­дой из мод ус­та­нав­ли­ва­ет­ся больц­ма­нов­ское рас­пре­де­ле­ние на­се­лён­но­стей уров­ней, ха­рак­те­ри­зуе­мое ин­ди­ви­ду­аль­ной ко­ле­бат. тем­пе­ра­ту­рой. Раз­ли­чие этих тем­пе­ра­тур из-за раз­ных ско­ро­стей де­зак­ти­ва­ции мод при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию ин­вер­сии на­се­лён­но­стей ме­ж­ду бло­ка­ми уров­ней, при­над­ле­жа­щих разл. мо­дам. Важ­ную роль иг­ра­ет до­бав­ле­ние мо­ле­кул азо­та N₂, ко­то­рые эф­фек­тив­но пе­ре­да­ют энер­гию собств. ко­ле­ба­ний в ан­ти­сим­мет­рич­ную мо­ду СО₂. Реа­ли­за­ция ус­ло­вий ин­вер­сии за­ви­сит от спо­со­ба воз­бу­ж­де­ния, под­бора час­тиц, сме­ши­вае­мых с СО₂, обес­пе­че­ния оп­ти­маль­но­го те­п­ло­во­го ре­жи­ма и др. В ре­зуль­та­те ре­аль­ные СО₂-л. пред­став­ля­ют со­бой се­мей­ст­во разл. уст­ройств.

Газоразрядные СО2-лазеры

Га­зо­раз­ряд­ные СО₂-л. Наи­бо­лее ши­ро­ко для соз­да­ния СО₂-л. ис­поль­зу­ет­ся га­зо­вый раз­ряд, при ко­то­ром элек­трич. энер­гия пре­об­ра­зу­ет­ся в энер­гию ко­ле­ба­ний мо­ле­кул; эф­фек­тив­ность пре­об­ра­зо­ва­ния 70–80%. Раз­ли­ча­ют ла­зе­ры не­пре­рыв­но­го и им­пульс­но­го дей­ст­вия.

В ла­зе­рах не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия ис­поль­зу­ют­ся раз­ря­ды по­сто­янно­го то­ка или ВЧ- и СВЧ-раз­ря­ды. Часть элек­трич. мощ­но­сти рас­сеи­ва­ет­ся и по­вы­ша­ет темп-ру ак­тив­ной сре­ды. Для оп­ти­маль­ной мощ­но­сти на­кач­ки темп-ра долж­на со­став­лять 400–500 К, при 700–800 К ин­верс­ная на­се­лён­ность ис­че­за­ет и не­об­хо­дим от­вод те­п­ла. Ох­ла­ж­де­ние про­из­во­дит­ся ли­бо при диф­фу­зии час­тиц к стен­кам (ла­зер­ное диф­фу­зи­он­ное ох­лаж­де­ние, ЛДО-ла­зе­ры), ли­бо за счёт кон­век­ции при про­кач­ке га­за (ла­зер­ное кон­век­ци­он­ное ох­ла­ж­де­ние, ЛКО-ла­зе­ры).

Для ЛДО-ла­зе­ров с раз­ряд­ны­ми труб­ка­ми ха­рак­тер­на мощ­ность 50–70 Вт/м при кпд 10–15% и дав­ле­ни­ях га­за ок.  10³ Па. Для уси­ле­ния от­во­да те­п­ла в га­зо­вую смесь до­бав­ля­ют те­п­ло­про­вод­ный ге­лий. Для дос­ти­же­ния мощ­но­сти 1–10 кВт не­об­хо­ди­мо при­ме­нять раз­ряд­ные труб­ки боль­шой дли­ны или их па­рал­лель­ные сек­ци­он­ные сбор­ки. В обо­их слу­ча­ях раз­ме­ры кон­ст­рук­ций ве­ли­ки, ес­ли ис­поль­зу­ют­ся клас­сич. от­кры­тые ре­зо­на­то­ры. Про­бле­ма ми­ниа­тю­ри­за­ции ре­ша­ет­ся с по­мо­щью вол­но­вод­ных ла­зе­ров, в ко­то­рых стен­ки ак­тив­ной сре­ды яв­ля­ют­ся ча­стью ре­зо­на­то­ра. При ис­поль­зо­ва­нии раз­ря­дов в ка­пил­ляр­ных ка­на­лах с по­пе­реч­ным раз­ме­ром 1–2 мм и по­вы­шен­ных дав­ле­ни­ях га­за (ок. 10⁴ Па) мощ­ность ла­зе­ра ок. 1 Вт/см. Для уве­ли­че­ния мощ­но­сти вол­но­вод­ных ла­зе­ров при­ме­ня­ют­ся кон­ст­рук­ции с ВЧ- или СВЧ-раз­ря­дом по­пе­рёк уз­ко­го про­ме­жут­ка ме­ж­ду плос­ко­стя­ми; при этом мощ­ность ге­не­ра­ции дос­ти­га­ет ок. 25 кВт/м².

В ЛКО-ла­зе­рах газ мо­жет про­ка­чи­вать­ся вдоль раз­ряд­ной труб­ки или по­пе­рёк раз­ряд­ной ка­ме­ры, вре­мя сме­ны га­за в ак­тив­ном эле­мен­те долж­но быть мень­ше вре­ме­ни диф­фу­зии к стен­кам. При про­доль­ной про­кач­ке дос­ти­га­ет­ся мощ­ность 1 кВт/м. При по­пе­реч­ной про­кач­ке объ­ё­мы раз­ряд­ных ка­мер дос­ти­га­ют де­сят­ков лит­ров, пре­дель­ная мощ­ность ге­не­ра­ции оп­ре­де­ля­ет­ся ус­той­чи­во­стью раз­ря­да и со­став­ля­ет 2–5 Вт/см³.

Им­пульс­ные га­зо­раз­ряд­ные СО₂-л. ра­бо­та­ют при по­вы­шен­ном дав­ле­нии га­за (ат­мо­сфер­ном и вы­ше). Для воз­бу­ж­де­ния ис­поль­зу­ют са­мо­сто­ят. и не­са­мо­сто­ят. раз­ря­ды. В пер­вой вер­сии в га­зе с по­мо­щью внеш­них УФ или рент­ге­нов­ских ис­точ­ни­ков пред­ва­ри­тель­но соз­да­ёт­ся сла­бая од­но­род­ная ио­ни­за­ция. За­тем осн. вклад энер­гии про­ис­хо­дит при на­ло­же­нии элек­трич. по­ля, обес­пе­чи­ваю­ще­го ла­вин­ную ио­ни­за­цию. При ис­поль­зо­ва­нии не­са­мо­сто­ят. раз­ря­да че­рез газ про­пус­ка­ет­ся элек­трон­ный пу­чок с энер­ги­ей 100–300 кэВ. К ак­тив­ной сре­де так­же при­кла­ды­ва­ет­ся внеш­нее элек­трич. по­ле, обес­пе­чи­ваю­щее вклад энер­гии в ио­ни­зо­ван­ную сре­ду. Пер­вая вер­сия про­ще в тех­нич. от­но­ше­нии, в ней дос­ти­га­ет­ся удель­ная энер­гия ге­не­ра­ции 40–60 Дж/л при объ­ё­мах ак­тив­ной сре­ды в нес­коль­ко лит­ров. Во вто­рой вер­сии реа­ли­зо­ва­ны ла­зе­ры с объ­ё­мом ак­тив­ной сре­ды в сот­ни лит­ров и энер­ги­ей ге­не­ра­ции нес­коль­ко кДж, это слож­ные ус­та­нов­ки.

Газодинамические СО2-лазеры

В рав­но­вес­ном на­гре­том га­зе воз­бу­ж­де­ны по­сту­па­тель­ные, вра­ща­тель­ные, ко­ле­ба­тель­ные и элек­трон­ные сте­пе­ни сво­бо­ды час­тиц. При бы­ст­ром ох­ла­ж­де­нии из-за разл. ско­ро­стей ре­лак­са­ции раз­ных сте­пе­ней сво­бо­ды отд. ви­ды дви­же­ния при­хо­дят к рав­но­ве­сию за раз­ное вре­мя. В га­зо­ди­на­ми­че­ских (ГДЛ) СО₂-л. ис­поль­зу­ет­ся то об­стоя­тель­ст­во, что разл. ко­ле­бат. мо­ды при­хо­дят к рав­но­ве­сию так­же с разл. вре­ме­на­ми, что при­во­дит к по­яв­ле­нию ин­верс­ной на­се­лён­но­сти ко­ле­бат. уров­ней. ГДЛ пря­мо пре­об­ра­зу­ет те­п­ло в ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние. Не­дос­та­ток ГДЛ – низ­кий кпд (Q 1%). По­лу­че­ние вы­со­кой мощ­но­сти W ге­не­ра­ции тре­бу­ет боль­ших за­трат мощ­но­сти на на­грев га­за при его мас­со­вом рас­хо­де на уров­не W=10 кВт/(кг/с). Мощ­ные ГДЛ ба­зи­ру­ют­ся на тер­ри­то­ри­ях спец. ком­плек­сов, бор­тах круп­ных ко­раб­лей, в спец. тех­но­ло­гич. зо­нах. Мощ­но­сти ге­не­ра­ции в ква­зи­не­пре­рыв­ном ре­жи­ме дос­ти­га­ют сот­ни кВт и бо­лее.

Химические СО2-лазеры

Ин­вер­сия соз­да­ёт­ся не­по­сред­ст­вен­но за счёт хи­мич. ре­ак­ций с об­ра­зо­ва­ни­ем воз­бу­ж­дён­ных мо­ле­кул. При­ме­ром мо­жет слу­жить CO₂-л. на фто­ре и во­до­ро­де (или дей­те­рии). До­бав­ле­ние СО₂ су­ще­ст­вен­но по­вы­ша­ет мощ­ность ге­не­ра­ции (на дли­не вол­ны 10 мкм) за счёт пе­ре­да­чи воз­бу­ж­де­ния DF* в ко­ле­ба­ния СО₂. Ла­зе­ры это­го ти­па по мощ­но­сти со­пос­та­ви­мы с ГДЛ.

Спектры СО2-лазеров и управление ими

Для при­ме­не­ния ла­зе­ров ва­жен, кро­ме мощ­но­сти, спектр из­лу­че­ния. В СО₂-л. по­лу­че­на ге­не­ра­ция на ря­де по­лос в сред­нем ИК-диа­па­зо­не. Наи­бо­лее мощ­ные и из­вест­ные – осн. пе­ре­хо­ды с цен­тра­ми 10,4 и 9,4 мкм. Ко­ле­бат. по­ло­сы име­ют тон­кую вра­щат. струк­ту­ру, и ге­не­ра­ция по­лу­че­на на не­сколь­ких ты­ся­чах ко­леба­тель­но-вра­щат. пе­ре­хо­дов СО₂. Ге­не­ра­ции од­но­вре­мен­но на мно­гих ко­ле­ба­тель­но-вра­щат. ли­ни­ях пре­пят­ст­ву­ет кон­ку­рен­ция пе­ре­хо­дов. Ес­ли на пе­ре­хо­де с наи­боль­шей ин­вер­си­ей и уси­ле­ни­ем воз­ни­ка­ет ге­не­ра­ция, то в ре­зуль­та­те на­сы­ще­ния сре­ды уси­ле­ние для бо­лее сла­бых пе­ре­хо­дов ста­но­вит­ся ни­же по­ро­го­во­го. Что­бы по­лу­чать ге­не­ра­цию на та­ких пе­ре­хо­дах, ис­поль­зу­ют­ся ре­зо­на­то­ры с час­тот­но-за­ви­си­мы­ми по­те­ря­ми при по­ме­ще­нии в них приз­мы, за­ме­не зер­ка­ла ди­фрак­ци­он­ной ре­шёт­кой, ус­та­нов­ке внут­рен­не­го ин­тер­фе­ро­мет­ра и т. д. Раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды ста­би­ли­за­ции и управ­ляе­мой не­пре­рыв­ной пе­ре­строй­ки час­то­ты в пре­де­лах вы­де­лен­но­го ко­ле­ба­тель­но-вра­ща­тель­но­го пе­ре­хо­да. Воз­мож­но­сти пе­ре­строй­ки час­то­ты важ­ны для спек­тро­ско­пии, свя­зи, ло­ка­ции.