Лазер (оптический квантовый генератор) — устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой

Газодинамический лазер — газовый лазер, в котором инверсия насе­лённостей 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 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; при этом нижние уровни энергии опусто­шаются быстрее, чем верхние, в ре­зультате чего образуется инверсия населённостей определённых уровней энергии молекул. В резонаторе генерируется когерентное излучение. Диффузор предназначен для торможения потока и повышения давления газа.
Самые мощные газодинамические лазеры работают в ИК области спектра (λ=10,6 мкм) на пере­ходах между колебательными уровнями моле­кул СО₂ (в смеси с азотом и парами во­ды или гелием). В этих газодинамических лазерах наиболее просто получить генерацию в продук­тах сгорания углеводородных топлив. Получена генерация в ИК газодинамического лазера на молекулах СО, N₂O и СS₂. Кпд этих лазеров невелик (~1%), что связано с неболь­шой эффективностью теплового воз­буждения и переходом основной доли энер­гии в кинетическую энергию молекул. Пре­имущество таких лазеров — возможность непре­рывной генерации значит, мощности (до сотни кВт). Перспективно создание мощных газодинамических лазеров на переходах между электронными уровнями атомов и мо­лекул, излучающих в видимой области спектра (фоторекомбинационные и плазмо-динамические лазеры).
Химический лазер — газовые лазеры, в которых инверсия населённостей образуется в результате химических реакций. Возможность создания такого рода лазеров основана на том, что продукты мно­гих экзотермических химических реакций обра­зуются преимущественно в возбуждённых состоя­ниях. Большинство химических лазеров работает на колебательных переходах двух­атомных молекул. Возбуждение осу­ществляется в результате экзотермических реакций замещения:
А+ВС→АВ+С+∆ε,
причём значительная часть δ выделяющейся энергии ∆ε идёт на возбуждение колебательных уровней молекулы АВ. В ре­зультате образуется неравновесный газ двухатомных молекул АВ, в котором средняя величина колебательной энергии зна­чительно превышает величину энер­гии, приходящейся на поступательную и вращательную степени свободы молекул. Такой неравновесный газ является ак­тивной средой с инверсной населён­ностью для большого количества колебательных переходов. В таблице приведены некоторые реакции, приводящие к инверсной населённо­сти, величины ∆ε и δ, а также при­мерный диапазон длин волн λ излу­чения, соответствующий каждой из реакций.
Таблица 1

Для работы химического лазера требуется создать некоторое количество химически активных свободных радикалов (атомов А). Для этого используются: прямой нагрев, приводящий к термической диссоциации вещества; облучение УФ или видимым светом, приводящее к частичной фото­диссоциации исходных продуктов; химические реакции, сопровождающиеся по­явлением свободных радикалов; газо­вый разряд, в котором частичная диссо­циация компонент происходит в ре­зультате столкновений молекул с электронами, электронная бомбардировка и др. Т. к. в результате реакций, при­водящих к возбуждению химического лазера, про­исходят необратимые изменения химического состава исходных веществ, необходимое условие длительной работы лазера — не­прерывное возобновление рабочего вещества.
Основные параметры, характеризу­ющие эффективность этого типа лазера— его химический кпд η_х (отношение энергии лазерного излучения к величине энергии, выделя­ющейся в результате химических реакции) и так называемой электрический кпд η_э (отношение энергии лазерного излучения к энер­гии, затрачиваемой на инициирование химической реакции). Т. к. энергия, требуе­мая для инициирования многих экзотермических реакций, меньше энергии, которая выделяется в результате проте­кания таких реакций, то величина η_э не имеет принципиальных огра­ничений сверху и может превышать 100%, например химический лазер на основе цепной реакции фтора с водородом (или дей­терием):
F+H₂→HF+H,
H+F₂→HF+F
имеют η_э>90%. Однако для химических лазеров на основе цепных реакций η_х относитель­но невелико (~1%), поскольку, например, при малой начальной степени диссоциации молекул F₂ время протекания цепной реакции оказывается много больше времени разрушения инверсной на­селённости в результате межмолекулярных соу­дарений. В связи с этим наиболее мощ­ные хим. лазеры на основе НF (DF), обла­дающие высоким η_х (до 10%), рабо­тают на основе простых реакций заме­щения (табл.). Максимальная энергия излу­чения НF-лазеров (в импульсном режиме)>2 кДж при длительности им­пульса ~30 нc. Наиболее мощные химические лазеры на НF непрерывного действия работают при прокачивании активно­го вещества через резонатор со сверхзвуковой скоростью и обладают выходной мощ­ностью в несколько кВт при η_э~2—4%. В основе применений хим. лазеров ле­жат, с одной стороны, их высокие мощность генерации и кпд, а с дру­гой — возможность получения гене­рации на большом числе переходов в широкой области ИК спектра. Наряду с другими типами мощных лазеров химические лазеры используются в технологии, в уста­новках по исследованию лазерного управляемого термоядерного синтеза, в лазерной спектроскопии, лазерной химии и лазерном разделении изото­пов, а также при исследовании про­цессов молекулярных соударений.
ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ — газовые лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённом состоянии). Нижний уровень лазерного перехода является так называемым «отталкивательным» (невозбуж­дённые атомы отталкиваются друг от друга и не
Рис. 10
образуют молекулу). Энер­гия верхнего уровня лазерного перехода (один из атомов X* возбуждён) имеет минимум, соответствующий образо­ванию эксимерной молекулы (рис. 10), При наличии в газе некоторого количества эксимерных молекул, создаваемых накачкой, инверсия населённостей возникает благодаря эффективному опустоше­нию нижнего уровня за счёт разлёта ядер. Быстрое опустошение нижнего уровня обусловливает аномально большую ширину линий усиления эксимерного лазера (≈10^–2—10^–1 эВ).
В эксимерных лазерах используются двухатомные эксимерные молекулы — короткоживущие соединения атомов инертных га­зов друг с другом, с галогенами или с кислородом (см. табл. 2). Излучение этих молекул соответствует видимой или УФ областям спектра. Это объяс­няет интерес к данным лазерам как к источникам УФ когерентного излучения. Аномаль­но большая ширина линии усиления открывает возможность перестройки частоты генерации.
Таблица 2

Активная среда лазера состоит из инертного газа при атмосферном или несколько большем давлении с возмож­ными малыми добавками галогенсодержащих молекул (давление р ≤ 10^–2 атм). Эксимерные молекулы об­разуются в результате протекания следующих процессов:
R^*+X₂→RX^*+X,
R^*+2R→ +R,
где R — атом инертного газа, Х₂ — молекула галогена (звёздочка озна­чает электронно-возбуждённое состо­яние). В силу малых времён жизни активных молекул (~10^–8 с), малости λ и большой ширины линии усиления для осуществления генерации требу­ется создать достаточно высокую концентрацию эксимерных молекул. Это достигается за счёт использова­ния мощных импульсных источников возбуждения — мощных электронных пучков или импульсного поперечного разряда, который обычно для обеспече­ния объёмной однородности предва­рительно инициируют маломощным электронным пучком или фотоионизирующим УФ излучением.
Наиболее эффективны и хорошо изучены эксимерные лазеры на АrF, КrF, ХеF. Вы­ходная энергия этих лазеров при воз­буждении электронным пучком или электрическим разрядом, инициируемым электронным пучком, достигает нескольких сот Дж при кпд 10% и длительности импульса ~10^–8 с. При возбуждении импульсным электрическим разрядом кпд ~1%, однако возможность реализа­ции импульсного режима с высокой частотой повторений (~10⁴ Гц) делает такой способ возбуждения удобным. Средняя мощность генерации импульсных эксимерных лазеров с газоразрядным возбуждением достигает нескольких десятков Вт. Угловая расходимость излучения при исполь­зовании резонатора специальной конструк­ции достигает дифракционного предела.
Высокая мощность и эффективность эксимерных лазеров, малость длины волны и возмож­ность её перестройки с помощью параметрических генераторов света и других устройств делают их перспективными. Эти лазеры используются для оптической накачки ла­зеров на красителях. Они перспектив­ны для селективной лазерной фото­химии и лазерного разделения изото­пов, а также лазерного термоядерного синтеза.