Электроника

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, лазер, в к-ром активной средой является газ или смесь газов. Трубку или камеру с активной газовой средой помещают в оптический резонатор, в простейшем случае содержащий два плоских зеркала, расположенных перпендикулярно продольной оси трубки (камеры). Одно из зеркал, как правило, делается полупрозрачным. При наличии в газе инверсии населённостей световая волне усиливвется иэ-эа процессов вынужденного испускания. Лазерное излучение выводится из резонатора либо через полупрозрачное зеркало, либо через края непрозрачного зеркала или через отверстие в нём.
К важнейшим отличит, особенностям Г. л. ло сравнению с лазерами на конденсир. средах относятся высокая олтич. однородность активной среды и узкие спектральные линии излучения. Эти отличия обусловливают такие св-ва Г. л., как высокая монохроматичность и острая направленность излучения, высокая степень когерентности, стабильность частоты (\<>>/ы -~10~~ ), а также возможность использования газовых активных сред значит, протяжённости и объёма. Г. л. характеризуются чрезвычайно широким диапазоном рабочих длин волн (100 им—1000 мкм) и мощностей иэлу-чени я (100 мкВт—1 МВт в непрерывном режиме и до 1 ТВт в импульсном), что связано с разнообразием как газовых  активных   сред,   так   и   способов   их   возбуждения (накачки). По способам накачки Г. л. условно подразделяются на газоразрядные, газодинамические и химические.
Газоразрядные лазеры. Активная среда  газоразрядном лазере возбуждается в газовом разряде а результате соударений атомов или молекул с эл-нами и друг с другом. Такой способ возбуждения был использован в первом Г. л. — гелий-неоновом лазере (А. Джаван, США; 1960). Атомы гелия возбуждаются электронным ударом, и часть их переходит в метостабильное состояние. Энергия метастабильных уровней гелия практически совпадает с энергией нек-рых уровней неона. В результате происходит избирательная передача энергии от возбуждённых атомов гелия атомам неона с возникновением инверсии населенностей (рис. 1). Распад ниж. уровней происходит за счёт спонтанного излучения и соударений атомов неона в метастабильиом состоянии со стенками разрядной трубки. Разряд пост, тока в трубке (рис. 2) зажигается в капилляре, снабжённом на концах окнами Брюстера, установленными под углом Брюстера к падающему свету (см. Брюстера закон), что позволяет снизить потери лазерного излучения. Трубка имеет на торцах интерференц. зеркала, образующие оптич. резонатор.
Кроме гелий-неоновых газоразрядных лазеров большое рактич.   применение   получили   также   ионные   лазеры   и
молекулярные лазеры. Из ионных Г. л. наиболее распространены аргоновые лазеры и криптоновые лазеры. В сине-зелёной области спектра (0,45—0,52 мкм) они обеспечивают мощность излучения порядка 10 Вт, а в красной (0,65—0,68 мкм) — ок. 3 Вт. Наибольшим разнообразием способов накачки и конструктивных вариантов характеризуются молекулярные лазеры, в особенности важнейшие из них в практич. отношении лазеры на углекислом газе (СО./-лазеры), в к-рых в качестве активной среды используется обычно трёх компонентная газовая смесь: углекислый газ (осн. компонент), азот и гелий (вспомогат. компоненты). Кпд СО и-лазера весьма высок (квантовый выход—0,45, практич кпд достигает 10%). В э лек три ч. разряде СО?-лазеров имеют место нежелат. эффекты, разрушающие инверсию населенностей, — разогрев газа и диссоциация его молекул. Для устранения этих эффектов газовая смесь непрерывно прокачивается через разрядные трубки лазеров (происходит обновление активной среды). Этот принцип использован, напр., в СО г-лазере с многократно свернутым оптич. резонатором (рис. 3). С 1 м активной среды такого Г. л. можно получить лазерное излучение мощностью ок. 50 Вт на длине волны 10,6 мкм. Для дальнейшего повышения уд. мощности СО -лазера необходимо более интенсивное охлаждение активной среды, что достигается ускоренной прокачкой рабочей смеси или использованием комбинир.способов накачки. Одним из таких способов, нашедшим практич. применение и реализованным в электроиони-эациониых СОг-лаэерлх (рис. 4), является возбуждение разряда высокого давления (до 50 МПа) одновременно несамостоят. тлеющим разрядом и пучком быстрых эл-нов (с энергией до 500 кэВ), вводимых в разрядную камеру. Электроиониэац. С О j-лазеры характеризуются высоким энергосъёмом (до 100 Дж с 1 м активной среды) при макс, энергии излучения до 10 кДж.
К разновидности газоразрядных Г. л. относятся также эксимерные лазеры, в к-рых активной средой служат экс им еры (молекулы, существующие только в возбужденном состоянии). В качестве активной среды в газоразрядных экснмерных Г. л. используются га логе ни ды инертных газов, нвпр. (ArCI)*, (KrF)\ (XeF)\ в электроиоииэац. эксимерных Г. л. — молекулы инертных газов, напр. Хе\ Кг*, Аг* (эдась и далее индекс * указывает на то, что втомы или молекулы в-ва находятся в возбуждённом состоянии). Эксимеры возникают в результате плаэмохим. реакций. Активную среду в эксимерных Г. л. возбуждают газовым разрядом, пучком быстрых эл-нов, оптич. накачкой или комбинацией этих способов. Эксимерные Г. л. излучают в основном в УФ области спектра.
Газодинамические лазеры (ГДЛ). Активную среду в ГДЛ создают чаще всего иа переходах между колебат. уровнями молекул СОг в смеси с др. газами (азотом, парами воды или гелием). Возбуждение ГДЛ осуществляют путём быстрого охлаждения нагретой струи смеси газов (рис. 5). При быстром охлаждении 6. ч. молекул не успевает перейти на ниж. уровни, в результате чего возникает инверсия населён нос те й. Для получения лазерной генерации струю гаэв пропускают через оптич. резонатор. Лазерный пучок направляется вдоль оси резонатора и поперёк движения газовой струи. Тепловая энергия газа в ГДЛ непосредственно преобразуется в энергию эл.-магн. излучения с кпд порядка 1 %. Мощность излучения ГДЛ достигает неск. сотен кВт.
Химические лазеры. Инверсия населенностей в хим. Г. л. возникает в результате экэотермич. хим. реакций. Хим. энергия в таких Г. л. преобразуется в энергию эл.-мвгн. излучения оптич. диапазона. Напр., в хим. Г. л. с использованием реакции фторирования водорода (рис. 6) молекулярный азот нагревают в камере до темп-ры 2000 К. Одновременно в камеру вводится газообразный гексафториД серы (SFb), к-рый, перемешиваясь с горячим азотом, диссоциирует с образованием атомов фтора. Смесь продувается со сверхзвуковой скоростью через систему сопел. В результате вэанмпдсй>твия фтора с водородом образуются колебательно-возбуждённые молекулы (HF)". Поток молекул (HF)" проходит через оптич. резонатор, в к-ром возбуждается когерентное излучение на длине волны 2,6— 3,6 мкм. Мощность непрерывной генерации в таком Г. л. достигает 10 кВт, хим. кпд ок. 10%.
К хим. Г. л. примыкают фотодиссоционные лазеры, в к-рых лазерная активная среда возникает в результате распада молекул под действием внеш. оптич. излучения (фотодиссоциация молекул). Примером фотодиссоционного Г. л. может служить лазер на парах CFJ. Кварцевая трубка с парами CF.I помещается в оптич. резонатор и освещается параллельно расположенной трубчатой ксеноновой лампой В результате поглощения излучения атомов ксенона молекула CFil распадается по схеме: CF^I+hv—bCF+Г. Йодный фотодиссоционный Г. л. излучает на длине волны 1,315 мкм с энергией в импульсе до 100 Дж. Известны также хим. Г. л. с комбинир. накачкой.
Применение Г. л. Существенным достоинством Г. л. является способность большинства из них работать в непрерывном режиме. Применение новых методов накачки и переход к более высоким давлениям газа позволяют резко увеличить мощность  Г. л.
Раз л. виды Г. л. имеют существ, отличия между собой по техн. и эксплуатац. параметрам и характеристикам. Это обусловливает многообразие областей применения Г. л. Напр., чрезвычайно высокая степень монохроматичности, стабильности,    пространственно-временнбй    когерентности гелий-неоновых Г. л. позволяет успешно использовать их в лазерных гироскопах, системах лазерной связи, интерферометрии, метрологии, спектроскопии. Значит, мощности непрерывной генерации, полученные в газоразрядных молекулярных Г. л. на длине волны 10,6 мкм, обеспечивают преимуществ, применение их в установках лазерной техно-логин (резание, сварка, сверление, термоупрочнение и т. д.) как в электронной пром-сти, так и в др. областях техники. Ионные Г. л. с длиной волны ок. 0,5 мкм находят применение в системах подводной локации, посадки самолётов (лазерные глиссады), установках аэрофотораэведки, медицинской аппаратуре и др. Ионные Г. л. нв парах металлов используются также в приборах спектр, анализа. Короткие импульсы излучения азотных Г. л. (<10 не) предопределяют возможность их применения при фотографировании быстропротекающих процессов. Мощные молекулярные Г. л. (в т. ч. гаэодинамич., химические) используются при исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, при разделении изотопов. Открываются новые области применения Г. л., в частности в кос ми ч. исследованиях.
Лазерное излучение легко фокусируется в пятно чрезвычайно малых размеров (неск. мкм), что делает лазер незаменимым инструментом в технологии электронного приборостроения, в особенности в проиэ-ве БИС и СБИС. При изготовлении и ретуши фотошаблонов, а также при создании генераторов изображений успешно применяются Г. л. УФ диапазона — азотные, ионные, эксимерные. Эти же лазеры широко используются для подгонки в номинал тон ко пленочных радиокомпонентов в ИС. Гелий-неоновые, аргоновые Г. л. примен яютс я в установках для контроля качества ПП материалов, Г. л. на парах меди — в Проекц. лазерных микроскопах для контроля качества ИС. Г. л. (в особенности гепий-кедмиевые) наряду с ПП лазерами используются в лазерных устр-вах записи и воспроизведения информации. Г. л. на СО; и СО позволяют достигнуть высокой точности и чистоты при изготовлении узлов и сборке СВЧ электровакуумных приборов, ФЭУ, видиконов, приборов квантовой электроники.