Лазерное излучение в инфракрасной области спектра генерируется часто с помощью газовых лазеров. Для ИК-лазеров используется, прежде всего, излучение молекулярных газов. Рассмотрим принцип действия фтороводородного лазера.
В результате химических реакций для генерации лазерного излучения может возбуждаться целый ряд молекул; так в последнее время повышенное внимание привлекает, в частности, фтороводородный лазер. Вообще, химические лазеры способны генерировать весьма высокие мощности, поскольку энергия может эффективно накапливаться в химических соединениях. Запасенная плотность энергии из расчета на объем будет в химических соединениях на порядок выше, чем, скажем, в электрических конденсаторах. Большинство химических лазеров генерируют излучение на переходах между колебательными уровнями двухатомных молекул. Излучение находится в инфракрасной области спектра от 1 до 10мкм. Большие химические лазеры для военных целей исследуются, в частности, на предмет их использования в космическом пространстве. США планируют устанавливать лазеры в самолетах с целью тестирования ракетного оружия.
Химические реакции могут протекать таким образом, что в качестве конечного продукта образуется молекула в возбужденном колебательном состоянии основного электронного уровня. Так, например, реакция, приводящая к образованию HF, является экзотермической:
F+H2→H+HF+∆E, (1)
где ∆E=132 кДж/моль=1,3эВ на молекулу. Избыток энергии ∆E в объеме почти 70% идет на возбуждение колебательных уровней молекулы HF до колебательного квантового числа ѵ=3. На основе переходов между этими уровнями с разным вантовым числом ѵ при химической реакции генерируется излучение. Возбуждение — селективное, так что достигается инверсия населенностей между колебательными уровнями.
Схема энергетических уровней HF-лазера показана на рисунке 1. Исходными веществами являются F+H2. В результате реакции (1) освобождается ∆E. Эта энергия может распространяться по разным колебательным уровням молекулы HF с квантовыми числами ѵ=0, 1, 2 и 3, причем для ѵ=3 требуется дополнительная тепловая энергия.
Имеется только одна серия вращательных уровней. Между колебательно-вращательными состояниями и располагаются самые интенсивные уровни HF-лазера в диапазоне длин волн от 2,7 до 3,3 мкм.
Для протекания реакции (1) необходимо присутствие атомарного фтора. Его можно получить на основе реакции молекулярного F2 с атомарным водородом:
H+ F2→ F+HF+410 кДж/моль (2)
Образованный в результат этой реакции атомарный фтор может привести к указанной выше реакции (1) [1].
Молекулярные УФ-лазеры
Импульсная генерация лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра достигается при переходах между электронными уровнями в молекулах. При этом в качестве активных сред используются двухатомные устойчивые молекулы: H2, N2 и эксимеры. Эксимеры — это молекулы, существующие лишь короткое время в возбужденном состоянии и быстро распадающиеся после перехода в основное состояние. В качестве коммерческих систем наиболее популярны их этой серии азотные лазеры и установки на эксимерах.
Азотные лазеры
N2 — это лазер есть в техническом смысле довольно простая система, и во многих лабораториях его нередко создают собственными силами. Такой лазер способен генерировать короткие импульсы с частотой повторения около 100 Гц, причем длительность импульсов у лазеров атмосферного давления находится в нано- или субнаносекундом диапазонах. Линия самой высокой интенсивности находится в ультрафиолетовой области спектра при длине волны 337 нм, и она годится для накачки лазеров на красителях. Недостатком лазером такого типа является низкая способность газов к сохранению энергии, так что импульсная энергия ограничена несколькими десятками мДж.
Схема энергетических уровней
У азотного лазера излучение происходит из С3Пu — С3Пg — переходов. Главная линия с длиной волны 337,1 нм образуется в результате перехода между колебательными уровнями с ѵ=0. На основе переходов между другими колебательными уровнями тех же электронных состояний могут возбуждаться другие длины ультрафиолетовых волн.
Коэффициенты усиления G=10и выше возможны при длине разряда в 1 м, так что сильное излучение достигается и без оптической обратной связи с зеркальным отражением. Сверхизлучение такого рода может обладать небольшой расходимостью и шириной спектральной линии подобно лазерному пучку. Но благодаря применению лазерных зеркал удается повысить качество пучка и энергию импульсов.
Процесс возбуждения азотного лазера довольно неблагоприятен, ибо верхнее лазерное состояние имеет значительно более короткое время жизни, чем нижнее состояние. Для генерации лазерного излучения верхнее лазерное состояние в быстрых импульсных газовых разрядах в результате электронного столкновения очень эффективно населяется из основного состояния. Время жизни этого верхнего состояния составляет 40 нс, и оно существенно короче времени жизни нижнего состояния с его 10мкс, когда заканчивается лазерный переход. Инверсия населенностей достигается, поэтому только в импульсном режиме. Для этой цели необходим импульсный разряд с высоким напряжением и высоким током — с периодом нарастания, который будет короче времени жизни на верхнее лазерном уровне. Так как нижний лазерный уровень почти не населяется в результате электронного столкновения, можно создать ременную инверсию населенностей. Импульс лазерного излучения возникает в наносекундном диапазоне. Поскольку при этом заселяется нижний лазерный уровень, генерация лазерного излучения при более длительном возбуждении просто срывается. Этот уровень спонтанно распадается в метастабильное состояние, которое может обладать достаточно долгим временем жизни — до нескольких секунд. Этим предотвращается опустошение нижнего лазерного уровня, а частота следования ограничивается примерно 100 Гц.
Конструктивное исполнение
Большинство азотных лазеров нуждаются в непрерывной прокачке газа, для чего используется обычно вакуумный насос. Из газов выбирается обычно чистый азот стандартного качества. Оптимальное давление заполнения N2 зависит от геометрии разряда и находится в диапазоне от 3*103 до 105 Па. В схемах, действующих на основе атмосферного давления, вакуумной системы не требуется. Длительность импульсов определяется давлением и составляет около 0,3 нс при атмосферном давлении и до 20 нс при рабочем давлении в несколько десятков Па. В случае N2-лазерных систем коммерческого назначения достигается энергии до 10 мДж при частоте следования импульсов до 10 Гц. Лазерные переходы осуществляются между несколькими вращательными состояниями, так что спектральная ширина полосы составляет около 0,1 нм.
Пучок азотного лазера не отличается особым качеством. Он не поляризован и состоит из многочисленных продольных и поперечных мод. У лазеров более высокой мощности поперечное сечение пучка — в силу поперечной формы разряда — прямоугольное. Более крупногабаритные азотные лазеры требуют постоянного протекания газа со скоростью от 0,1 до 40 л/мин. Для коммерческих азотных лазеров, как правило, предусматривается воздушное охлаждение, за исключением таковых с высокой частотой следования импульсов [2].