Газовый лазер, типы и виды, устройство.
Газовый лазер – лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в газообразном состоянии.
Устройство газового лазера с электрической накачкой газовой смеси
Лазер, принцип действия и его устройство
Газовый лазер:
Газовый лазер – лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в газообразном состоянии.
Исторически газовый лазер был первым лазером непрерывного излучения и первым лазером, работающим по принципу преобразования электрической энергии в когерентное электромагнитное излучение в оптическом диапазоне.
Первый газовый лазер – гелий-неоновый лазер (HeNe), был изобретен совместно ирано-американским инженером и ученым Али Джаваном и американским физиком Уильямом Р. Беннеттом-младшим в 1960 году. Он производил когерентный луч света в инфракрасной области спектра с длиной волны 1,15 мкм.
Накачка газового лазера в основном осуществляется электрическим разрядом газовой смеси. Реже встречается оптическая накачка газовой смеси либо накачка путем химической реакции газовой смеси.
Газовые лазеры обладают высокой мощностью и создают когерентное электромагнитное излучение в широком спектре – от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного излучения.
Преимуществами газовых лазеров также являются относительная дешевизна материала активной среды, невозможность повреждения активного материала, легкость удаления тепла из активной среды.
Типы и виды газовых лазеров:
В зависимости от активной среды газовые лазеры можно разделить на следующие типы и виды:
1. лазеры с нейтральными атомами и молекулами. К ним относятся:
– углекислотные лазеры или CO2-лазеры. Углекислотный лазер (лазер на углекислом газе, CO2-лазер) – газовый лазер, с непрерывным излучением, в активной среде которого для получения когерентных электромагнитных волн ИК-диапазона используется углекислый газ (CO2);
– гелий-неоновые лазеры;
– лазеры на монооксиде углерода или CO-лазеры. Лазер на монооксиде углерода, CO-лазер – газовый лазер, с импульсным излучением, в активной среде которого для получения когерентных электромагнитных волн ИК-диапазона используется монооксид углерода (CO);
– азотные лазеры. Азотный лазер – это газовый лазер, работающий в ультрафиолетовом диапазоне (обычно 337,1 нм), использующий в качестве усилителя молекулярный азот, накачиваемый электрическим разрядом. КПД азотного лазера низкая, обычно 0,1% и менее;
– и др.;
2. Химические газовые лазеры. Химический газовый лазер – это разновидность газовых лазеров, в котором источником энергии служат химическая реакция между компонентами активной среды. Химический лазер – газовый лазер, в котором лазерная активная среда создается в результате экзотермических химических реакций. К химическим лазерам относятся НF(DF-)-лазер, (DF-СО2)-лазер, химический кислородно-иодный лазер и др.;
3. Эксимерные лазеры. Эксимерный лазер – газовый лазер, работающий на электронных переходах эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённых состояниях). Эксимерный лазер – газовый лазер в котором лазерная активная среда в виде неустойчивого соединения ионов создается в газовом разряде при электрической накачке;
4. Ионные лазеры. Ионный лазер – это газовый лазер, который использует ионизированный газ в качестве активной среды. К ионным лазерам относятся аргоновый лазер, криптоновый лазер, ксеноновый лазер, Ar/Kr-лазер и др.;
5. Лазеры на парах металлов. Лазеры на парах металлов – газовый лазер, в котором лазерная активная среда создается в парах металла (металлоида). Лазеры на парах металлов используют в качестве активной среды пары металлов, возбуждённых и нагреваемых электрическим разрядом. К лазерам на парах металлов относятся:
– гелий-кадмиевый лазер на парах металлов;
– гелий-ртутный лазер на парах металлов;
– гелий-селеновый лазер на парах металлов;
– лазер на парах меди;
– лазер на парах золота;
– и др.;
6. Лазеры на парах неорганических соединений. Лазер на парах неорганических соединений – газовый лазер, в котором лазерная активная среда создается в парах неорганических соединений;
7. Лазеры на парах органических соединений. Лазер на парах органических соединений – газовый лазер, в котором лазерная активная среда создается в парах неорганических соединений.
Газовые лазеры по характеру лазерных переходов также подразделяются на следующие типы и виды в соответствии с ГОСТ 15093-90. “Лазеры и устройства управления лазерным излучением. Термины и определения”:
1. Атомарные лазеры. Атомарный лазер – газовый лазер, в котором лазерные переходы происходят между уровнями энергии атомов. Атомарный лазер не следует путать атомным лазером;
2. Молекулярные лазеры. Молекулярный лазер – газовый лазер, в котором лазерные переходы происходят между уровнями энергии молекул;
3. Ионные лазеры. Ионный лазер – газовый лазер, в котором лазерные переходы происходят между уровнями энергии ионов.
В соответствии с ГОСТ 15093-90. “Лазеры и устройства управления лазерным излучением. Термины и определения” по способу создания активной среды также выделяются следующие виды газовых лазеров:
1. Газоразрядные лазеры. Газоразрядный лазер – газовый лазер, в котором лазерная активная среда создается под действием электрического разряда в газе;
2. Фотоионизационный лазер. Фотоионизационный лазер – газоразрядный лазер с высоким давлением газовой смеси, в которой проводимость для обеспечения однородного несамостоятельного разряда создается под действием ионизирующего оптического излучения;
3. Электроионизационные лазеры. Электроионизационный лазер – газоразрядный лазер с высоким давлением газовой смеси, в которой проводимость для обеспечения однородного несамостоятельного разряда создается под действием электронного пучка;
4. Фотодиссоциативные лазеры. Фотодиссоциативный лазер – газовый лазер, в котором лазерная активная среда создается в результате фотодиссоциации молекул;
5. Газодинамические лазеры – молекулярный лазер, в котором лазерная активная среда создается при быстром расширении газа;
6. Фотодиссоциативные лазеры. Фотодиссоциативный лазер – газовый лазер, в котором лазерная активная среда создается в результате фотодиссоциации молекул;
7. Химические лазеры;
8. Эксимерные лазеры.
Устройство газового лазера с электрической накачкой газовой смеси:
Газовый лазер с электрической накачкой состоит из герметичной трубки с газообразным рабочим телом и элементами оптического резонатора. Накачка энергии в активную среду лазера производится с помощью электрических разрядов в газе, получаемых чаще всего с помощью электродов в полости трубки.
Рис. 1. Конструкция газового лазера
На Рис. 1 приведена конструкция (схема) газового лазера. На схеме обозначены: 1 — герметичная трубка с газообразным рабочим телом; 2 — катод; 3 — анод; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — непрозрачное зеркало; 6 — лазерный луч.
Электроны, соударяясь с атомами газа, переводят их в возбуждённое состояние с последующим излучением фотонов. Благодаря актам вынужденного испускания световые волны, созданные в трубке, усиливаются при прохождении через газовую плазму. Оптический резонатор (два точно выставленных зеркала на торцах трубки) задаёт преимущественное направление излучения.
Часть потока фотонов отбирается из лазера через одно из зеркал, сделанное полупрозрачным. Другая часть отражается обратно внутрь лазера для поддержания вынужденного излучения.