Молекулярные газодинамические лазеры

Газодинамический лазер – лазер, в котором инверсия населенностей создаётся в системе колебательных уровней энергии молекул газа путём адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Газодинамический лазер состоит из нагревателя, сверхзвукового сопла (или набора сопел, образующих так называемую сопловую решётку), оптического резонатора и диффузора. В нагревателе происходит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или подогрева с помощью электрических разрядов и ударных волн). При течении газа в сверхзвуковом сопле смесь быстро охлаждается. Для повышения мощности рабочую газовую смесь непрерывно заменяют новой, т.е. вводят циркуляцию газовой смеси. Диффузор служит для торможения потока и повышения давления газа, который выбрасывается в атмосферу.

Один из таких лазеров – лазер на СО₂ .

Так как мощность газового лазера непрерывного действия на смеси СО₂ + N₂ + Не очень высока, оказывается трудным изготовить для него долговечные зеркала, поэтому их изготавливают из специальных тугоплавких материалов, а вывод излучения осуществляют не сквозь полупрозрачное зеркало, а через небольшое отверстие в зеркале – окно.

Для лазеров СО₂ характерны большой энергосъем и высокий КПД (порядка 30 %).

Мощные лазеры на СО₂ можно применять для резки и сварки металлов, для световой локации, а также в качестве мощного перестраиваемого по частоте ИС.

Химические лазеры

Кроме электрического разряда, инверсия населенностей уровней атомов и молекул может создаваться в результате химических реакций, при которых образуются атомы или радикалы в возбужденных состояниях.

Химические лазеры могут работать только на быстротекущих реакциях, таких, как фотодиссоциация молекул (распад молекулы на несколько частей под действием света), взрыв или химические реакции между атомами молекулами на встречных пучках атомов или молекул различных веществ.

Химический метод создания инверсии населенностей принципиально допускает создание лазеров с очень высокими КПД и выходной мощностью.

Пример химического лазера – лазер на фотодиссоциации молекулы СF₃J.

Рабочий газ СF₃J. наполняет кварцевую трубку, которая помещается между зеркалами и освещается параллельно расположенной ксеноновой лампой-вспышкой.

Свет вспышки поглощается в рабочем газе, в результате чего молекула СF₃J распадается:

СF₃J + hν → СF₃ + J. (3)

Атомарный йод J находится в возбужденном состоянии, благодаря этому достигается инверсия населенностей уровней атомов йода возбуждение генерации света между зеркалами.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры в качестве активной среды содержат кристаллический или аморфный диэлектрик, активированный люминесцирующими примесями.

Наибольший интерес представляет твердотельный лазер на основе кристалла иттрий-алюминиевого граната, в решетке которого часть ионов иттрия замещена ионами неодима Y₃Al₅O₁₂ : Nd³⁺.

Конструктивно твердотельный лазер выполнен в виде стержня из активного вещества длиной несколько сантиметров с отполированными зеркальными торцами.

Накачка в твердотельных лазерах осуществляется оптическим способом, для чего активный элемент и лампу накачки помещают в светособирающую систему, предназначенную для равномерного распределения света по всей длине стержня.

В последнее время в качестве источников накачки лазера на Y₃Al₅O₁₂: Nd³⁺. с неодимом небольшой мощности часто применяют ИК-светодиоды, согласованные по длине волны с основной линией поглощения неодима λ = 0,81 мкм.

КПД твердотельных лазеров обычно существенно выше, чем у газовых, что объясняется большей эффективностью оптической накачки по сравнению с газовым разрядом, но двойное преобразование энергии (электричество → свет → лазерное излучение) приводит к тому, что он на порядок меньше, чем у полупроводниковых лазеров.

Мощность излучения твердотельных лазеров составляет десятки ватт и более, однако когерентность и направленность существенно хуже, чем у газовых.

К недостаткам твердотельных лазеров следует отнести невозможность осуществлять внутреннюю модуляцию выходного лазерного излучения и снижение надежности лазера в целом из-за низкой надежности современных элементов оптической накачки.