Га́зовый ла́зер, лазер с активной средой, находящейся в газообразном состоянии. Активной средой могут быть собственно газы или пары, т. е. вещества, пребывающие при нормальных условиях в твёрдой или жидкой фазах. Для образования газообразной активной среды твёрдые и жидкие вещества нагреваются до высоких температур и переводятся в парообразное состояние.

Активная среда газового лазера заключена в кварцевую трубку (кювету). В зависимости от конструкции газового лазера длина трубки может изменяться от нескольких сантиметров до нескольких метров, а диаметр – от 1 мм до нескольких сантиметров. Трубка помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух зеркал, обращённых друг к другу отражающими поверхностями. Одно из зеркал на длине волны излучения газового лазера делается практически полностью отражающим, другое – частично отражающим (полупрозрачным). Резонатор обеспечивает обратную положительную связь, т. е. создаёт условия, при которых часть выходящего из активной среды индуцированного излучения многократно возвращается в активную среду. Для поддержания устойчивого режима генерации газового лазера прирост мощности излучения в активной среде должен равняться всем потерям, в том числе и полезным, обусловленным выходом части излучения через полупрозрачное зеркало.

Фотоны, испущенные в активной среде при вынужденных переходах между лазерными уровнями энергии, и фотоны, вызвавшие эти переходы, полностью идентичны по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Полная тождественность вынужденного и стимулирующего излучений обеспечивает когерентность излучения газового лазера. Благодаря этому излучение газового лазера характеризуется высокой степенью монохроматичности и малой расходимостью.

Историческая справка о газовых лазерах

Первый газовый лазер – гелий-неоновый лазер – был создан в США в 1960 г. сотрудниками Лаборатории Белла А. Джаваном, У. Р. Беннеттом и Д. Р. Эрриотом. Вскоре после этого, в 1961 г., к разработке химического лазера непрерывного действия приступил Дж. Полани. В 1964 г. Е. Гордоном, Е. Ф. Лабудой и У. Б. Бриджесом был создан первый ионный лазер на аргоне, генерирующий в сине-зелёной части видимого диапазона. В том же году сотрудником Лаборатории Белла Кумаром Пателем в 1964 г. был создан газоразрядный лазер на переходах между колебательными уровнями энергии молекулы $\text{CO}_{2}$. В 1965 г. сотрудники кафедры химии Университета Калифорнии Дж. В. В. Каспер и Дж. К. Пименталь завершили работы по созданию импульсного химического лазера на $\text{HCl}$. В 1966 г. У. Т. Уолтер начал разработку газоразрядных лазеров на парах меди. Революционным было создание в 1968 г. сотрудниками Физического института им. П. Н. Лебедева А. М. Прохоровым и В. К. Конюховым газодинамического лазера на $\text{CO}_{2}$, который, по существу, является тепловой машиной, непосредственно преобразующей тепловую энергию в энергию когерентного электромагнитного излучения на длине волны 10,6 мкм. В 1971 г. сотрудниками Оптической лаборатории ФИАН А. А. Исаевым, М. А. Казаряном и Г. Г. Петрашом был создан лазер на парах меди, работающий в режиме саморазогрева. В том же году сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева успешно завершили работы по созданию эксимерного лазера. В 1972 г. в ОКБ львовского НПО «Полярон» был разработан и запущен в серийное производство гелий-кадмиевый лазер. С 2022 г. ведутся работы по созданию газовых волоконных лазеров (ГВЛ) с накачкой электрическим разрядом.

Ныне нашли применение более 500 промышленных моделей газовых лазеров (см. Лазер, Квантовая электроника). Подавляющее большинство газовых лазеров работает в непрерывном режиме. В таблице приведены данные о длине волны и мощности излучения различных типов газовых лазеров непрерывного действия, нашедших наиболее широкое применение.

Особый интерес представляют импульсные газовые лазеры ультрафиолетового диапазона на парах $\text{Cu}$ (${λ = 0,312}$ мкм), ионах $\text{Ne}$ (${λ = 0,2358}$ мкм и ${λ = 0,3328}$ мкм), молекулах $\text{N}_{2}$ (${λ = 0,3371}$ мкм) и эксимерные лазеры на основе неустойчивых соединений: $\text{Ar}_{2}$ (${λ = 0,126}$ мкм), $\text{Kr}_{2}$ (${λ = 0,146}$ мкм), $\text{F}_{2}$ (${λ = 0,157}$ мкм), $\text{Xe}_{2}$ (${λ = 0,172}$ мкм), ($\text{ArF}$)^* ($\text{λ = 0,193}$ мкм), ($\text{KrCl}$)^* $(\text{λ = 0,222}$ мкм), ($\text{KrF}$)^* (${λ = 0,248}$ мкм), ($\text{XeBr}$)^* ($\text{λ = 0,282}$ мкм), ($\text{XeCl}$)^* $({λ = 0,308}$ мкм) и ($\text{XeF}$)^* ($\text{λ = 0,353}$ мкм).

Особенности газов как лазерных материалов

Газовые среды характеризуются малой плотностью и высокой однородностью. Поэтому пучок излучения в газе практически не искажается, не рассеивается и не испытывает потерь энергии. Частицы газа (атомы, ионы или молекулы) находятся на больших расстояниях друг от друга и взаимодействуют только при соударениях в процессе теплового движения. Такого рода взаимодействие частиц слабо влияет на расположение их уровней энергии. Поэтому энергетический спектр газа определяется уровнями энергии отдельных частиц. Оптические переходы между уровнями энергии характеризуются естественной шириной линии излучения. В реальных условиях за счёт различных факторов контур линии уширяется. Одним из таких факторов при малых давлениях газов является эффект Доплера (доплеровское уширение). Но из-за слабого взаимодействия частиц газа спектральные линии даже с учётом доплеровского уширения имеют крайне малую ширину. В узкую линию излучения попадает мало мод резонатора. Поэтому в газовых лазерах можно сравнительно просто возбудить только один тип электромагнитных волн (одну моду). Лазерное излучение одномодового газового лазера характеризуется малой расходимостью. В видимом диапазоне длин волн она равна 10⁻⁵–10⁻⁴ рад, в инфракрасной области – 10⁻⁴–10⁻³ рад.

Так как газ практически не влияет на условия распространения излучения в резонаторе, стабильность частоты излучения газового лазера $\nu$ и её воспроизводимость (повторяемость) зависят главным образом от степени фиксации зеркал и жёсткости всей конструкции резонатора. Используемые в настоящее время конструкции излучателей газовых лазеров позволяют обеспечить высокую стабильность частоты излучения газового лазера ${ \nu}$ и её воспроизводимость (повторяемость). Относительная стабильность частоты $\text{S}_{ \nu} = { \Delta\nu/ \nu}$ за время наблюдения ${ \tau=1000}$ с уменьшена до 3$\cdot$10⁻¹⁰. Частота излучения газового лазера $\nu$ воспроизводится с точностью до 10⁻¹¹.

Малая плотность газов не позволяет получить высокую концентрацию возбуждённых частиц. Поэтому объёмная плотность генерируемой энергии у газового лазера существенно ниже, чем у твердотельных лазеров. Значительного увеличения мощности излучения газового лазера можно добиться применением новых методов возбуждения и использованием газа, находящегося под более высоким давлением. При решении проблемы увеличения мощности излучения газового лазера открываются новые области применения газового лазера, например в нанотехнологиях и изготовлении чипов с высокой плотностью элементов.

Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах

Исходным материалом для создания активной среды газового лазера служит газ (или смесь газов), частицы которого (атомы или молекулы) находятся в основном состоянии (состоянии с наименьшей энергией). В смеси газов выделяют рабочий и вспомогательный газы. Рабочим является газ, на оптических переходах частиц которого возникает лазерное излучение. Активной средой газового лазера называется совокупность возбуждённых частиц рабочего газа (атомов, ионов или молекул) с инверсией населённостей. Под инверсией населённостей понимают состояние квантовой системы, в которой выполняется условие: число частиц, находящихся в состоянии с большей энергией, превышает число частиц в состоянии с меньшей энергией. Чаще всего инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразрядные лазеры). При столкновениях частиц рабочего газа, находящихся в основном состоянии, с электронами (электронный удар) частицы возбуждаются – переходят на более высокие уровни энергии. Населённость ${N}$ возбуждённого уровня энергии в установившемся режиме определяется произведением скорости заселения уровня ${M}$ на время жизни частицы ${τ}$ на этом уровне. В результате возбуждения частиц рабочего газа для определённой пары их уровней энергии $\textit{Е}_{i}>\textit{Е}_{k}$ выполняется условие ${M}_{i} \cdot {τ}_{i}>{M}_{k} \cdot {τ}_{k}$, т. е. имеет место инверсия населённостей. В случае инверсии населённостей число вынужденных переходов частиц с верхнего уровня $\textit{Е}_{i}$ на нижний уровень $\textit{Е}_{k}$, результатом которых являются акты вынужденного испускания фотонов с энергией $h\cdot\nu_{k} = {E}_{i}-{E}_{k}$, превышает число актов поглощения этих фотонов. Поэтому активная газовая среда может генерировать электромагнитное излучение с частотой $\nu_{ik} = {\textit{(Е}}_{i}\, –\: \textit{Е}_{k})/h$ или с длиной волны ${ \lambda_{ik} = c / \nu_{ik}}$. Возбуждение атомов и молекул электронным ударом является наиболее разработанным методом получения инверсии населённостей в газовом лазере.

Наряду с возбуждением частиц рабочего газа электронным ударом в смеси газов, успешно используется ещё один механизм возбуждения – передача энергии, необходимой для возбуждения частиц рабочего газа на верхний лазерный уровень, от частиц вспомогательного газа. Процесс дополнительного заселения верхнего лазерного уровня осуществляется в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию возбуждения. Поскольку эффект передачи энергии возбуждения в значительной степени резонансный, то он приводит к селективному заселению тех уровней энергии частиц рабочего газа, которые наиболее близки к уровням энергии вспомогательного газа.

Первым газовым лазером был генератор непрерывного действия, в котором рабочим веществом являлась смесь двух газов – гелия и неона. Этот тип газового лазера в настоящее время выпускается крупными партиями и широко используется в различных областях науки и техники. Есть несколько причин широкого применения гелий-неоновых лазеров. Во-первых, они просты в эксплуатации; во-вторых, потребляют мало электроэнергии; в-третьих, механизм генерации гелий-неоновых лазеров наиболее изучен и понятен, поэтому они конструктивно отработаны с учётом создания оптимальных условий режима генерации. И наконец, они характеризуются проявлением в самой высшей степени всех фундаментальных свойств лазерного излучения: монохроматичности, когерентности, направленности и яркости.

Гелий-неоновый лазер

Разработан А. Джаваном в США в 1960 г. В гелий-неоновом лазере инверсия населённости создаётся между уровнями энергии нейтральных атомов $\text{Ne}$. На рис. 1 схематически показан механизм создания инверсии населённостей верхнего и нижнего уровней энергии одного из множества лазерных переходов.

Рис. 1. Механизм создания инверсии населённости лазерных уровней энергии атома рабочего газа Ne.Рис. 1. Механизм создания инверсии населённости лазерных уровней энергии атома рабочего газа Ne.В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня ${E}_{0}$ на возбуждённые уровни энергии ${E}_{1}$, ${E}_{2}$ и ${E}_{3}$ (рис. 1). Но в чистом неоне время жизни на уровне ${E}_{3}$ мало́, атомы быстро уходят с него на уровни ${E}_{1}$ и ${E}_{2}$. Расселение уровня ${E}_{2}$ происходит с участием долгоживущего уровня ${E}_{1}$, что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населённостей для пары уровней ${E}_{3}$ и ${E}_{2}$, а значит, и использованию их в качестве верхнего и нижнего лазерного уровней. Присутствие гелия в разрядном канале газового лазера существенно меняет ситуацию. Атомы гелия служат для передачи их энергии возбуждения атомам неона. Процессу резонансной передачи энергии от гелия к неону способствует близость возбуждённого метастабильного уровня энергии атома гелия ${E}_{He_{возб.}}$ и верхнего лазерного уровня атома неона ${E}_{3}$, а также введение в разряд большего количества атомов гелия, чем атомов неона. При столкновении возбуждённых электронным ударом атомов гелия с невозбуждёнными атомами неона с энергией ${E}_{0}$ происходит передача энергии возбуждения ${E}_{He_{возб.}}$, в результате которой атомы неона будут возбуждены на уровень ${E}_{3}$, а атомы гелия вернутся в основное состояние ${E}_{0}$. При достаточно большом превышении числа атомов гелия над числом атомов неона можно добиться преимущественного заселения уровня энергии неона ${E}_{3}$ и обеспечить достаточно большую инверсию населённостей для пары уровней ${E}_{3}$ и ${E}_{2}$. Созданию большой инверсии населённостей также способствует опустошение уровня ${E}_{1}$ атома неона, через который расселяется уровень ${E}_{2}$. Расселение уровня ${E}_{1}$ происходит при соударениях атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Поэтому для увеличения скорости опустошения уровня ${E}_{1}$ диаметр трубки необходимо минимизировать. Однако при уменьшении диаметра трубки уменьшается количество атомов гелия и неона и, следовательно, мощность генерации. Максимальная мощность генерации достигается при диаметре трубки 5 мм.

Уровни энергии неона ${E}_{2}$ и ${E}_{3}$ обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. По этой причине гелий-неоновый лазер может работать на 43 лазерных переходах с длиной волны в области видимого света и инфракрасного излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия. Это позволяет создать необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в газовом лазере генерацию на требуемой частоте.

Основной конструктивный элемент гелий-неонового лазера – газоразрядная трубка (обычно из кварца). На рис. 2 приведена современная конструкция гелий-неонового лазера.

Рис. 2. Схематическое изображение конструкции современного гелий-неонового лазера.Рис. 2. Схематическое изображение конструкции современного гелий-неонового лазера.Давление газа в разряде 1 мм рт. ст., причём количество атомов $\text{Не}$ обычно до 10 раз больше, чем количество атомов $\text{Ne}$. Разрядная трубка выполнена в виде боросиликатного капилляра длиной 10 см и внутренним диаметром порядка 1 мм. Она помещена между полупрозрачным и полностью отражающим («глухим») зеркалами, которые жёстко соединены с бериллиевой трубой, имеющей форму прямого цилиндра. Тлеющий разряд осуществляется на постоянном токе (от 5 до 10 мА) при напряжении на трубке около 2 кВ. Холодный оксидно-танталовый катод имеет диаметр 30 мм и длину 50 мм. Срок службы лазера с такой газоразрядной трубкой составляет порядка 2$\cdot$10⁴ ч.

Мощность излучения гелий-неоновых лазеров может достигать десятых долей ватта, кпд не превышает 0,01 %, но высокая монохроматичность и направленность излучения, простота в обращении и надёжность конструкции обусловили их широкое применение. Красный гелий-неоновый лазер $({λ = 0,6328}$ мкм) используется при юстировке сложных оптических систем и проведении нивелировочных работ (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений), а также в оптической связи, локации, в голографии и в квантовых гироскопах.

Лазер на углекислом газе

Разработан группой учёных (К. Патель (США), Ф. Легей, Н. Легей-Соммер (Франция)) в 1964 г. Молекулы, в отличие от атомов, имеют не только электронные, но и т. н. колебательно-вращательные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов, составляющих молекулу, относительно положений равновесия и вращательного движения всей молекулы как целого. Переходы между колебательно-вращательными уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в которых используются эти переходы, называются молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особый интерес представляет $\text{СО}_{2}$-лазер, в котором в качестве лазерных уровней используются колебательно-вращательные уровни молекулы $\text{СО}_{2}$.

Рис. 3. Схематическое изображение конструкции CO₂-лазера с отпаянной газоразрядной трубкой.Рис. 3. Схематическое изображение конструкции CO₂-лазера с отпаянной газоразрядной трубкой.В газоразрядных $\text{СО}_{2}$-лазерах механизм создания инверсии населённостей лазерных уровней во многом подобен механизму создания инверсии населённостей в гелий-неоновом лазере. Рабочим газом, в молекулах которого создаётся лазерный переход, служит углекислый газ $\text{СО}_{2}$. В качестве вспомогательного газа при заселении верхнего лазерного уровня используется азот $\text{N}_{2}$. Инверсия населённостей лазерных уровней энергии достигается возбуждением молекул $\text{СО}_{2}$ и $\text{N}_{2}$ электронным ударом и резонансной передачей энергии возбуждения от молекул $\text{N}_{2}$ молекулам $\text{СО}_{2}$. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90 % молекул азота переходит в долгоживущее возбуждённое состояние. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам $\text{СО}_{2}$ в процессе неупругих соударений. Для значительного увеличения инверсии населённостей лазерных уровней молекул $\text{СО}_{2}$ в разрядную смесь добавляют гелий. Гелий обладает высокой теплопроводностью, на порядок большей, чем теплопроводность $\text{СО}_{2}$. Благодаря этому облегчается отвод тепла из зоны разряда к стенкам трубки, что приводит к охлаждению разряда и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы $\text{СО}_{2}$. Гелий облегчает возникновение и поддержание тлеющего разряда. При большом содержании гелия разряд в смеси $\text{СО}_{2}$, $\text{N}_{2}$ и $\text{He}$ развивается практически так же, как и в $\text{He}$. Это позволяет оптимизировать параметры разряда $\text{СО}_{2}$-лазеров, используя в качестве модели хорошо изученный разряд в гелии. И наконец, большое количество гелия в разряде тормозит процесс диссоциации молекул $\text{СО}_{2}$ на молекулы $\text{CO}$ и $\text{O}_{2}$ при их столкновении с высокоэнергичными электронами. В лазерах с отпаянными трубками (рис. 3) для торможения процесса диссоциации в трубку помещают генератор кислорода $\text{O}_{2}$ – смесь окcидов серебра, марганца и кобальта либо гранулированные оксиды меди.

Более действенным способом борьбы с диссоциацией молекул $\text{СО}_{2}$ является регенерация молекул $\text{СО}_{2}$ из молекул $\text{CO}$ с использованием непрерывно действующего катализатора – либо небольшого количества паров воды, либо газообразного водорода. Впрочем, радикально решить проблему диссоциации молекул $\text{СО}_{2}$ удаётся только в $\text{СО}_{2}$-лазерах с постоянной сменой (прокачкой) газовой смеси в разрядном канале. Для получения больших мощностей (несколько киловатт) в непрерывном режиме газ прогоняют через трубку с большой скоростью, и разряд происходит в сверхзвуковом потоке. Чтобы избежать потерь дорогостоящего гелия, газовая смесь циркулирует по замкнутому контуру. Возбуждение электронным ударом производится либо в резонаторе, либо непосредственно перед поступлением смеси в резонатор. Эффективное возбуждение $\text{СО}_{2}$-лазеров может быть достигнуто химическими или газодинамическими методами.

В $\text{СО}_{2}$-лазерах с перестраиваемой длиной волны линии излучения разделяются с использованием отражательной решётки, расположенной внутри резонатора. Расстояние между линиями излучения варьируется от 30 до 50 ГГц. Из-за низкой частоты лазерного перехода доплеровская ширина линии довольно мала – около 60 МГц. Генерация лазерного излучения происходит примерно на 80 линиях в интервале длин волн от 9,2 до 10,8 мкм.

Газоразрядные трубки $\text{СО}_{2}$-лазеров имеют диаметр от 2 до 10 см, длина их может быть очень большой – от нескольких метров до десятков метров. Обычно применяются секционные (модульные) конструкции с током разряда до нескольких ангстрем при напряжениях до 10 кВ на секцию. В $\text{СО}_{2}$-лазерах непрерывного действия серьёзной проблемой является изготовление достаточно долговечных зеркал резонатора. Применяются покрытые золотом сапфировые или медные зеркала, в подложке которых предусмотрено протекание охлаждающей жидкости (как правило, воды). Вывод излучения зачастую производится через отверстия в зеркалах. В качестве подложек полупрозрачных выходных зеркал хорошего оптического качества применяются пластины из высокоомного германия, арсенида галлия и т. п.

$\text{СО}_{2}$-лазеры обладают высокой мощностью (наибольшая мощность лазерного излучения в непрерывном режиме) и высоким кпд. При возбуждении молекул $\text{СО}_{2}$ электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200 м мощность излучения $\text{СО}_{2}$-лазера достигает 9 кВт. Существуют компактные конструкции с выходной мощностью 1 кВт. Предложены версии лазеров малой мощности ниже 1 Вт; медики предпочитают $\text{СО}_{2}$-лазеры мощностью 10 Вт. Наряду с высокой выходной мощностью $\text{СО}_{2}$-лазеры обладают большим кпд, достигающим в промышленно изготовленных приборах 15–20 % (при изготовлении $\text{СО}_{2}$-лазеров в лабораторных условиях возможно достижение кпд 40 %). $\text{СО}_{2}$-лазеры могут принципиально эффективно работать и в импульсном режиме. Перечисленные особенности $\text{СО}_{2}$-лазеров обусловливают многообразие их применения: технологические процессы (резание, сварка); локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с ${λ = 10,6}$ мкм); физические исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (высокая мощность излучения); исследование материалов и т. д.

Ионные лазеры

Разработаны У. Бриджесом (США) в 1964 г. В ионных лазерах инверсия населённостей создаётся между возбуждёнными состояниями ионизированных атомов инертных газов и паров металлов и металлоидов. Инверсия населённостей лазерных уровней в ионах инертных газов достигается за счёт того, что время жизни верхнего уровня больше времени жизни нижнего уровня. Для создания большого количества ионов используется дуговой разряд, плотность тока в котором достигает 1000 А/см². Высокие плотности тока обеспечиваются путём использования капиллярных разрядных каналов диаметром от 1 до 3 мм. Из-за большой плотности тока в разрядном канале ионы дрейфуют от анода к катоду с последующей нейтрализацией вблизи катода. Нейтральные атомы, на которые не действует кулоновская сила, обладают достаточно большой массой, а значит, и инерцией, начинают скапливаться вблизи катода. В итоге возникает градиент давления вдоль оси трубки, рост которого продолжается до тех пор, пока вблизи анода концентрация атомов не упадёт ниже критической, т. е. такой, при которой разряд прекращается. Для выравнивания давления в анодной и катодной областях разрядной трубки они соединяются т. н. обводным каналом, шунтирующим разрядный канал. Конструкция этого канала зависит от материала, из которого выполнен разрядный канал. Но при любой форме обводного канала исключается возможность возникновения в нём газового разряда, а также минимизируется сопротивление потоку газа от катода к аноду.

Ввиду высокой плотности тока для изготовления газоразрядных трубок современных ионных лазеров применяются металлокерамические конструкции или трубки из бериллиевой керамики, обладающие высокой теплопроводностью. Кпд ионных лазеров не превышает 0,01 %. В области видимого света сравнительно высокой мощностью в непрерывном режиме обладают аргоновые лазеры. Так, ионный аргоновый лазер может генерировать излучение с ${λ = 0,4880}$ мкм (синий луч) и ${λ = 0,5145}$ мкм (зелёный луч) мощностью до нескольких десятков ватт в каждой из этих линий. Мощность излучения промышленно изготовленных аргоновых лазеров на всех линиях генерации достигает 50 Вт, а в специальных исполнениях – свыше 100 Вт в сине-зелёной области спектра и до 60 Вт в ближней ультрафиолетовой области. Разрядная трубка для криптоновых лазеров по своей конструкции очень похожа на трубку аргонового лазера. Однако во время эксплуатации криптоновых лазеров газ уходит из разрядного канала быстрее, чем у аргонового лазера. Поэтому при проектировании газоразрядной трубки криптонового лазера приходится предусматривать газовый резервуар большой ёмкости. Длина волны наиболее интенсивной линии криптонового лазера равна 647,1 нм (красный цвет). Мощность непрерывного излучения на этой длине волны достигает нескольких ватт. Интенсивность других линий достаточно сильно зависит от давления криптона. Поэтому в перестраиваемых криптоновых лазерах осуществляется жёсткий контроль давления. Линии ионного криптонового лазера лежат в диапазоне от 337 до 799 нм. Кпд криптонового лазера несколько меньше, чем у аргонового лазера. Поэтому для достижения требуемого уровня мощности излучения приходится использовать газовый разряд с более высокой плотностью тока, чем в аргоновых лазерах.

Ионный лазер на смеси ионов аргона и криптона обладает способностью перестраиваться по длине волны (сменой зеркал) во всём видимом диапазоне. Мощность излучения такого лазера достигает 2,5 Вт на длине волны 0,4880 мкм (синий цвет), 3 Вт на длине волны 0,5145 мкм (зелёный цвет), 0,25 Вт на длине волны 0,5682 мкм (жёлтый цвет) и 0,49 Вт на длине волны 0,6471 мкм (красный цвет).

Указанные линии могут смешиваться до достижения белого цвета. Поэтому аргон-криптоновые лазеры широко используются в создании разнообразных лазерных шоу. Ионные лазеры на инертных газах относятся к разряду стандартных источников излучения видимого диапазона мощностью от нескольких милливатт до 50 Вт. Особенно важным представляется их использование при лечении глазных болезней и для других медицинских целей. Аргоновые лазеры применяются в технологии обработки твёрдых материалов, при физических исследованиях, в оптических линиях связи, при оптической локации искусственных спутников Земли.

Весьма перспективен гелий-кадмиевый лазер, работающий в непрерывном режиме в синей (0,4416 мкм) и ультрафиолетовой (0,3250 мкм) областях спектра и обладающий высокой монохроматичностью. Лазерные переходы формируются между возбуждёнными уровнями ионизированных атомов кадмия, находящегося в парообразном состоянии. Вспомогательным газом является гелий. Ионизация атомов кадмия с последующим возбуждением ионов кадмия на верхние лазерные уровни осуществляется в результате процесса Ф. Пеннинга – передачи энергии возбуждения от атома гелия атому кадмия, находящемуся в основном состоянии. Возбуждение атомов гелия осуществляется за счёт их столкновения с электронами в плазме разряда. Энергия возбуждённых уровней атома гелия больше энергии верхних лазерных уровней, что и обеспечивает процесс Пеннинга. Схематически газоразрядная трубка гелий-кадмиевого лазера изображена на рис. 4.

Рис. 4. Схематическое изображение газоразрядной трубки гелий-кадмиевого лазера.Рис. 4. Схематическое изображение газоразрядной трубки гелий-кадмиевого лазера.Одной из особенностей конструкции активного элемента гелий-кадмиевого лазера является то, что один и тот же электрод может быть использован как в качестве катода, так и в качестве анода. Другая особенность состоит в том, что вблизи каждого электрода располагается нагреватель. Нагреватели находятся в тепловом контакте с ловушками, предназначенными для хранения в них кадмия в твёрдой фазе. Первоначально разряд возникает в гелии, а весь кадмий находится в ловушке, расположенной вблизи анода. При разогреве кадмия до рабочей температуры 230–250 °C он начинает испаряться и поступает в разрядный канал. Давление паров кадмия можно изменять, варьируя рабочую температуру. В разрядном канале часть атомов кадмия ионизируется и переходит в возбуждённые состояния. Ионы кадмия под действием кулоновской силы диффундируют через гелий к катоду. Скорость диффузии контролируется через параметры разряда. При этом обеспечивается достаточно равномерное по объёму распределение ионов кадмия. Удаление кадмия из газовой фазы происходит путём конденсации на холодных стенках ловушки, расположенной вблизи катода. Расход кадмия при токе разряда 100 мА составляет 1,5 мг/ч. Через определённое время весь кадмий из ловушки 3 испарится и сконденсируется в ловушке 4. Генерация лазерного излучения прекращается. Для восстановления генерации меняют местами катод и анод. Мощность излучения гелий-кадмиевого лазера с газоразрядной трубкой диаметром 2,5 мм и длиной 140 см при давлении ${Не}$ 4,5 мм рт. ст., температуре нагревателя 250 °C, токе разряда 0,12 А и напряжении 4 кВ достигает уровня 180 мВт на длине волны 441,6 нм и 40 мВт на длине волны 325 нм.

Гелий-кадмиевый лазер применяется в сфере информационной и измерительной техники, голографии, флуоресцентного анализа, в оптических исследованиях (см. Нелинейная оптика), океанографии, а также фотобиологии и фотохимии.

Газодинамические лазеры на молекулах CO₂

Разработаны В. К. Конюховым и А. М. Прохоровым (СССР) в 1966 г. Характерной особенностью газов является возможность создания быстрых потоков газовых масс. Именно эта возможность используется при создании газодинамического лазера. Принцип действия газодинамического лазера рассмотрим на примере лазера, в котором используется смесь газов (8 % $\text{СО}_{2}$ и 92 % $\text{N}_{2}$). $\text{СО}_{2}$ служит рабочим газом, $\text{N}_{2}$ – вспомогательным. Смесь газов предварительно сильно нагревается (до 1400 K) и сжимается до 17 бар. В состоянии термодинамического равновесия смеси газов населённость верхнего лазерного уровня составляет около 10 % от населённости основного состояния молекулы $\text{СО}_{2}$, а нижнего лазерного уровня – 25 %. При протекании со сверхзвуковой скоростью через параллельно расположенные сопла Лаваля температура смеси газов резко падает до 350 K, а давление смеси – до 0,1 бар. Так как время жизни на верхнем лазерном уровне значительно больше, чем время жизни на нижнем лазерном уровне, релаксация последнего протекает гораздо быстрее. Благодаря этому на определённом расстоянии от сопел Лаваля в быстром потоке смеси газов создаётся инверсия населённостей лазерных уровней. При газодинамическом возбуждении тепловая энергия непосредственно преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Мощность излучения газодинамических лазеров, работающих в непрерывном режиме, достигает 100 кВт.

Химические лазеры

Инверсия населённостей в некоторых газах может быть создана в результате химических реакций, при которых образуются возбуждённые атомы, радикалы или молекулы. Газовая среда удобна для химического возбуждения, т. к. реагирующие вещества легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Примером химического возбуждения может служить возбуждение при цепной реакции соединения фтора с дейтерием, в результате которой получается возбуждённый дейтерид фтора $\text{DF}$, передающий в дальнейшем энергию своего возбуждения молекулам $\text{СО}_{2}$. Удаление продуктов реакции обеспечивает непрерывный характер работы этих лазеров.

К химическим лазерам примыкают газовые лазеры, в которых инверсия населённостей достигается с помощью реакций фотодиссоциации (распада молекул под действием света). Это быстропротекающие реакции, в ходе которых возникают возбуждённые радикалы или атомы. Существует лазер на фотодиссоциации молекулы $\text{CF}_{з}\text{I}$ (С. Г. Раутиан, И. И. Собельман, СССР). Диссоциация происходит под действием излучения ксеноновой лампы-вспышки. Осколком реакции является возбуждённый атомарный ион $\text{I}^{+}$.

Эксимерные лазеры

Эксимерным лазером называют газовый лазер, активная среда которого представляет собой молекулы, не обладающие устойчивым основным состоянием, – галоидные соединения на инертном газе или димеры инертных газов. Лазерная генерация возникает на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) состояниями эксимеров. Эксимерному лазеру присущи два важных свойства. Во-первых, при переходе с верхнего лазерного уровня на нижний (в основное состояние) эксимер моментально распадается на атомы, из чего следует, что нижний лазерный уровень всегда пустой, а инверсия населённостей равна населённости верхнего лазерного уровня. Во-вторых, не существует чётко выраженных границ лазерного перехода. Поэтому лазерный переход достаточно широкополосный (20–100 см⁻¹). Эксимеры $\text{(ArF)}^{*}$, $\text{(KrF)}^{*}$ и $\text{(XeCl)}^{*}$ легко образуются именно в возбуждённом состоянии, когда атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, легко вступающих в реакцию с галогенами. Наибольшее практическое использование нашли $\text{ArF}$-, $\text{KrF}$-, $\text{XeCl}$-, $\text{Ar}_{2}$-, $\text{Kr}_{2}$- и $\text{F}_{2}$-лазеры. Главным достоинством эксимерных лазеров является их генерация в ультрафиолетовой области спектра. Эксимерные лазеры широко применяются в экспонирующих машинах для фотолитографии полупроводниковых структур при изготовлении интегральных схем, микропроцессоров и чипов памяти. Качество фотолитографии тем выше, чем у́же линия излучения лазера. Использование отражательной решётки позволяет уменьшить ширину линии излучения $\text{KrF}$-лазера с 1 нм до 0,3 пм.

Газоразрядные волоконные лазеры

Ныне ведутся работы по созданию нового типа газового лазера – газоразрядного волоконного лазера. Данный тип лазера должен объединить преимущества газовых и волоконных лазеров благодаря использованию световодов с полой сердцевиной. Волоконные лазеры на основе световодов, состоящих из монолитного легированного кварцевого стекла, обладают малыми габаритами, механической устойчивостью, высоким качеством излучения, хорошими условиями теплоотвода и отсутствием необходимости юстировки. Световоды с полой сердцевиной обеспечивают повышенную устойчивость к мощному лазерному излучению и расширение спектрального диапазона. Возможности использования в волоконных лазерах световодов с полой сердцевиной ограничиваются параметрами лазеров накачки. Проведены эксперименты, которые указывают на возможность поддержания аргоновой плазмы в сердцевине полых световодов с диаметром до 100 мкм. При давлении аргона 10 мм рт. ст. полная длина плазмы в полом световоде достигает 26 см. Средняя мощность излучения составляет не менее 20 Вт при частоте СВЧ-излучения 2,45 ГГц. При давлении аргона около 50 мм рт. ст., неона – около 300 мм рт. ст. и гелия – около 500 мм рт. ст. минимальные значения напряжённости для всех трёх газов – 2,5–2,8 кВ/см.