Разновидности газовых лазеров

Эксимерные лазеры.

В качестве активной среды в лазерах этого типа выступают молекулы, которые могут существовать только в возбужденном состоянии. Такие молекулы называются эксимерами. В эксимерных молекулах для лазерной генерации используются электронно-колебательные переходы между устойчивым возбужденным (Еи химически неустойчивым основным состоянием (Е₀). В качестве примера эксимерных молекул можно привести возбужденные молекулы благородных газов и их соединения: Хе?, Кг2, Аг2, ХеГ*, ХеСГ, КгЕ Аг1Г* и т. д. (звездочка означает возбужденную молекулу).

Если в рабочем объеме создать большую концентрацию эксимерных молекул, например, пучком электронов с энергией до 1 МэВ и плотностью тока до 10¹¹ А/см², то может быть получена инверсная населенность возбужденного уровня Е_г. В результате возникает инверсия населенностей на переходах между верхним связанным состоянием Е, и нижним неустойчивым состоянием Е₀. Из-за того, что верхнее состояние Е, представляет собой полосу электронно-колебательных уровней, а в нижнем состоянии отсутствует дискретная вращательно-колебательная структура уровней энергии, излучение эксимерного лазера происходит в сравнительно широком спектральном диапазоне, что позволяет перестраивать частоту генерации в пределах этого перехода.

Помимо широкополосности излучения, можно отметить также то, что эксимерные переходы из возбужденного в неустойчивое основное состояние из-за быстрой диссоциации эксимерной молекулы сопровождаются практически мгновенным опустошением нижнего лазерного уровня. Время жизни эксимеров мало (~ 10~⁹…Ю ⁸ с), поэтому эксимерные лазеры работают в основном в импульсном режиме, генерируя короткие импульсы излучения с энергией до 10^Г)Дж и КПД до 10%. Эксимерные лазеры излучают энергию в УФ диапазоне длин волн (~1…3,5)10²нм.

Химические лазеры.

Инверсия населенностей в химических лазерах достигается за счет энергии химических реакций между отдельными составляющими активной среды, при этом используются только экзотермические реакции. В результате этих реакций в газовых смесях, например, таких, как НЕ, происходит выделение энергии, большая часть которой переходит в колебательную энергию молекул.

Таким образом, основным достоинством химических лазеров является прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного лазерного излучения с высоким КПД (~ 10%). К другим достоинствам химических лазеров можно отнести большие мощности излучения в непрерывном режиме (> 10 кВт), высокое значение удельной энергии (~ 10 Дж/л), отсутствие громоздких источников питания. Химические лазеры работают на колебательно-вращательных уровнях в спектральном диапазоне 3…10 мкм.

Рентгеновские лазеры (X<100нм).

Разработка этих лазеров обусловлена требованиями развития нанотехнологий, особенно в области микроэлектроники, применениями в оптической микроскопии, голографии, в перспективных системах противоракетной обороны и т. д. Энергия кванта излучения в рентгеновских областях спектра составляет десятки и даже сотни эВ, что создает большие трудности при разработке подходящих активных сред с нужным спектром энергетических уровней. Кроме того, в рентгеновском диапазоне возрастает роль спонтанных переходов, поскольку отношение их вероятности к вероятности индуцированного излучения пропорционально кубу частоты А_тп/В_тп ~ (о³, что затрудняет генерацию индуцированного излучения (см. п. 17.1).

В качестве активных сред в рентгеновских лазерах используются плазменные среды с многократно ионизированными атомами. Энергетические состояния ионов по своей структуре аналогичны энергетической структуре соответствующих атомов с той лишь разницей, что значения разности энергий уровней ионизированных атомов намного больше, чем для нейтральных. Например, спектры разрешенных значений энергии восьмикратно ионизированного атома аргона Аг⁸⁺ или иона селена Эе²⁴* аналогичны спектру атома N6, но значения разности энергий уровней у этих многократно ионизированных атомов Аг и Эе больше, чем у Ке, в 50 и 500 раз соответственно.

Получение плазмы с такими многократно ионизированными (многозарядными) ионами возможно только в установках типа тех, которые используются для термоядерного синтеза, поэтому это ограничивает их применение в настоящее время. Однако в силу важности отмеченных выше возможных применений, работы по созданию этих лазеров в развитых странах проводятся достаточно интенсивно. В настоящее время уже получена лазерная генерация в режиме сверхкоротких импульсов на Эе²⁴*,.

Аг⁸% А^⁷⁺ и ряде других элементов в диапазоне длин волн от 3 до 50 нм.

Лазеры на свободных электронах.

В лазерах этого типа используются основные преимущества электронных вакуумных приборов с динамическим управлением, например, ЛБВО и ЛБВМ (см. гл. 13, 14). В лазерах на свободных электронах активной средой являются электронные потоки, ускоренные до релятивистских скоростей и движущиеся через ондулятор. Ондулятор представляет устройство с периодически изменяющимся в пространстве электрическим или магнитным полем. В магнитном ондуляторе поле формируется набором расположенных друг за другом магнитов с чередующейся полярностью. Кроме поступательного движения, электроны под действием такого магнитного поля совершают периодические колебания (осцилляции), которые сопровождаются электромагнитным излучением с частотой оо₍₎ ~ ц/А, где и — скорость переносного (продольного) движения электронов, О = X — пространственный период изменения магнитного ПОЛЯ.

Расчеты показывают, что для получения излучения электронов в видимом диапазоне спектра необходимо разогнать их до энергии в 50 МэВ (при 2) = 1 см). Современные ускорители заряженных частиц позволяют разогнать электроны до энергий, превышающих 500 МэВ, что будет соответствовать излучению на красном краю рентгеновского диапазона.