3.1.2.3. Газовые лазеры

Газовые лазеры – лазеры с активной средой в виде газов, паров или их смесей. Газы обладают очень маленькой плотностью, и ее величина сильно зависит от давления и температуры. В связи с этим газообразная активная среда обладает  следующими преимуществами:

- прозрачностью, и, следовательно,  оптической активностью в широкой области спектра, в том числе в далекой коротковолновой области, где конденсированные среды оптически неактивны;

- узостью и стабильностью линий поглощения и излучения;

- незначительной величиной температурного коэффициента показателя преломления, и, следовательно, малой расходимостью излучения;

- отсутствием термического разрушения;

- возможностью быстрой прокачки через оптический резонатор, что позволяет достигать больших средних мощностей излучения;

- многообразием физических процессов, приводящих к инверсии среды, определяющих разнообразие типов, характеристик и режимов работы газового лазера.

Накачка газовых лазеров, так же как  твердотельных и лазеров на красителях, может осуществляться за счет поглощения света (оптическая накачка). Кроме того возбуждение среды может происходить за счет неупругих столкновений частиц среды со свободными электронами, получающими в газовом разряде (газоразрядные лазеры), или вводимых в виде пучка, сформированного в ускорителе. Иногда для возбуждения рабочего тела газового лазера используют возбужденные атомы или ионы вспомогательного газа. Для газовых лазеров возможна также химическая  накачка, когда в результате химической реакции образуются колебательно возбужденные молекулы. Работа газодинамических лазеров основана на различии времени релаксации верхнего и нижнего колебательного уровня молекул газа при его быстром  адиабатическом расширении (тепловая накачка).

По типу переходов, на которых происходит возбуждение, различают лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул, эксимерные лазеры. Газовым лазерам посвящается примерно половина научных публикаций по лазерам, из них более 60% - газоразрядным.

Большое количество газовых лазеров различных типов выпускается серийно. Конструкция и характеристики их очень разнообразны. Классическим газовым лазером является гелий-неоновый лазер (He : Ne = 7 : 1 или 5 : 1).

С точки зрения мощности, энергии, доступности, простоты в обращении и экологичности наиболее подходящими для химической технологии в настоящее время является СО2 -лазер. Это молекулярный лазер, возбуждающийся  в режиме тлеющего разряда. Активной средой является смесь газов – СО2, N2 и He. Для создания инверсии заселенности используется резонансная передача от молекулярного азота молекулам СО2. Гелий служит для охлаждения. СО2-лазер излучает в диапазоне 9,2 - 10,9 мкм. На лазерах этого типа получены наибольшие уровни выходной мощности и наиболее высокие значения к.п.д. (10-30%).