11.2.3. Лазеры с газодинамической накачкой

В газодинамических лазерах источником энергии служат колебательно возбужденные молекулы нагретого газа. Усиливающая среда образуется за счет процессов тепловой релаксации молекул во время течения газа через сверхзвуковое сопло. При газодинамической накачке тепловая энергия колебательного движения молекул непосредственно преобразуется в энергию когерентного излучения. Газодинамический лазер является таким образом своеобразной тепловой машиной.

Так же как в случае химических лазеров исследования газодинамических лазеров преследовали цель получения мегаваттных непрерывных мощностей. Военные ведомства, финансирующие эти работы, преследовали цель создания «лучей смерти», сжигающих ракеты, самолеты и другие объекты противника на расстоянии. Эти проекты себя не оправдали. Создать эффективное лазерное оружие такого типа так и не удалось. Основное препятствие заключается в принципиальных ограничениях, давно известных в оптике, связанных с дифракционной расходимостью излучения. Луч лазера невозможно сфокусировать на удаленном объекте. Лазер же создающий достаточные плотности излучения расходящимся лучом на расстояниях в десятки .. сотни километров должен иметь циклопические размеры.

При тепловом равновесии, как бы ни была высока температура газовой среды, инверсной населенности уровней достичь невозможно. В этом случае тепловая энергия распределена равномерно по всем степеням свободы молекул. При резком изменении термодинамических параметров газа может существовать промежуток времени, в течение которого возникает инверсия. Для этого более высоко расположенный уровень энергии должен релаксировать медленнее, чем ниже лежащий. Именно такая ситуация реализуется в углекислом газе. Поэтому инверсия за счет энергии нагретого газа может образовываться в процессах колебательной релаксации при быстром охлаждении газа.

Простейший способ быстрого охлаждения больших масс газа – адиабатическое охлаждение при истечении сжатого и нагретого газа через сопло. Температура газа при сверхзвуковом истечении значительно понижается за время, короткое по сравнению с временем жизни верхнего лазерного уровня и длительное по сравнению с временем жизни нижнего лазерного уровня. При этом населенность верхнего уровня остается такой же, как у горячего газа, а нижнего соответствует низкой температуре газа после расширения. Для повышения уровня инверсии газовая смесь должна содержать молекулярный азот, накачивающий возбужденный лазерный уровень СО₂. Очевидно, что инверсия будет существовать на конечном отрезке вдоль потока газа, которая и должна перекрываться с активной областью лазерного резонатора. В газодинамическом лазере активное вещество вносится в резонатор с большой скоростью перпендикулярно его оптической оси.

11.3. Лазеры на нейтральных атомах

Генерация получена более чем на 450 различных переходах между уровнями нейтральных атомов 29 химических элементов. Активная среда лазера на нейтральных атомах – слабо ионизированная плазма в положительном столбе тлеющего разряда, который осуществляется в газоразрядной трубке. В каждом конкретном случае ток разряда, диаметр газоразрядной трубки и состав газовой смеси и давление требует оптимизации. Устойчивый самостоятельный электрический разряд удается поддерживать в весьма разреженных газовых средах, давление в которых составляет единицы мм ртутного столба.

Для ряда переходов нейтральных атомов получена генерация в импульсном разряде. В результате лавинной ионизации плотность тока при импульсном разряде может достигать 300 А/см². По окончании импульсного разряда возникает послесвечение, сопровождающее быструю термализацию электронов, происходящая с участием долгоживущих ионов и возбужденных атомов. Как в чистых газах, так и в газовых смесях эти процессы приводят к генерации с высоким коэффициентом усиления и большой пиковой мощностью, но с малой эквивалентной средней мощностью генерации. Условия возбуждения атомов в таком разряде зависят от величины рассеиваемой мощности, давления газа, напряжения пробоя газа, а также формы и расположения электродов.