Газовый лазер: принцип работы и виды

• Что такое газовый лазер?
• Принцип работы газового лазера
• Виды газовых лазеров
• Газовые лазеры на нейтральных атомах
• Гелий-неоновые лазеры
• Лазер на ионном газе
• Углекислотный газовый лазер
• Аргоновый ионный лазер
• Азотные лазеры
• Эксимерные лазеры
• Гелий-кадмиевые лазеры
• Криптоновый лазер
• Области применения газовых лазеров

Что такое газовый лазер?

Газовый лазер - это устройство, в котором электрический ток различной мощности подается на тело газа, находящегося в герметичной полости, для получения когерентного источника света. 

Газовый лазер был первым лазером, созданным из непрерывного света, работающим путем преобразования электрической энергии в световой поток. Данные лазеры имеют ряд преимуществ перед другими видами. Среда усиления, используемая для стимулирования мощности луча, может быть изготовлена с помощью относительно дешевой и доступной комбинации гелия и неона, как это было в первом газовом лазере. Кроме того, этот газ не является летучим, поэтому повреждение среды усиления не является серьезной проблемой.

При помощи высоковольтного импульса постоянного тока происходит ионизация молекул газа, что приводит к созданию узконаправленного электромагнитного излучения высокой мощности.

Среда усиления, используемая в лазере, создает когерентный луч света в инфракрасной области спектра, создавая архетипичный красный лазерный луч. Этот газовый лазер использовался в сканерах штрих-кодов до появления доступных диодных лазеров.. С тех пор лазер используется в образовательных и оптических исследовательских лабораториях из-за его относительно небольшой выходной мощности и низкой стоимости.

Принцип работы газового лазера

В качестве активной среды в газовых лазерных установках выступает технический газ (вещество, которое находится в газообразном состоянии при естественных для него условиях) или же испарения химических элементов, к примеру, металлов. Кроме того, в некоторых случаях могут применяться и специальные смеси газообразных веществ. Особенностью газа, являющегося активной средой в лазерах, является то, что он обладает достаточно высокой оптической однородностью. Благодаря этому само качество излучения у лазерных приборов газового типа считается более высоким по сравнению с аналогичными типами таких устройств.

Активная газообразная среда накачивается с применением возникающих в ней электрических разрядов. В итоге возникающая в процессе такого явления электроны сталкиваются с атомами технического газа или пара химического вещества, что приводит их в возбуждение и становится причиной излучения фотонов.

Виды газовых лазеров

Газовые лазеры можно сгруппировать в зависимости от природы их лазерно-активного вещества: нейтральные атомы, ионы или молекулы. 

Газовые лазеры на нейтральных атомах

Некоторые газовые лазеры используют нейтральные атомы в качестве лазерно-активных видов.  

Гелий-неоновые лазеры (He-Ne лазеры)

Они излучают красный свет с длиной волны 632,8 нм, но могут быть созданы и для других длин волн, таких как 543,5 нм (зеленый), 594,1 нм (желтый), 611,9 нм (оранжевый), 3,39 мкм или 1,15 мкм, путем введения внутрирезонаторных потерь с соответствующими спектральными характеристиками. Типичные гелий-неоновые лазеры имеют газовую ячейку длиной порядка 20 см и генерируют несколько милливатт выходной мощности в режиме непрерывной волны на длине волны 632,8 нм, используя несколько ватт электрической мощности. Гелий-неоновые лазеры часто используются для юстировки и в интерферометрах и конкурируют с лазерными диодами, которые более компактны и эффективны. Некоторые гелий-неоновые лазеры используются в оптических стандартах частоты.

Гораздо менее распространены газовые лазеры на основе других инертных газов, таких как аргон, криптон и ксенон. Гелий-ксеноновые лазеры могут излучать, например, на 2,026 мкм или на 3,5 мкм.

Рис. 1. Гелий-неоновый лазер

Некоторые из важных областей применения гелий-неоновых лазеров включают в себя:

• Интерферометры;
• Оптическая связь в свободном пространстве;
• Эксперименты с волоконной оптикой;
• Просмотр голограмм;
• Генерация голограмм;
• Лазерное световое шоу;
• Лазерное наблюдение;
• Лазерный тахометр;
• Лазерная охранная сигнализация;
• Лазерный гироскоп.

 Лазер на ионном газе

Лазер на ионном газе - это лазер, созданный на ионизированном газе, таком как аргон или криптон. Эти лазеры требуют большого количества тока для возбуждения ионных переходов, необходимых для создания сфокусированного луча, поэтому они являются одними из наименее эффективных и мощных лазеров. Ионные лазеры требуют большого количества тока и нуждаются в водяном охлаждении, чтобы рассеивать интенсивное тепло, выделяемое при производстве луча. Газовые лазеры используются в основном в медицине и науке, но их также применяют для создания лучей белого света для световых лазерных шоу.

Рис. 2. Лазерная Co2 трубка

Углекислотный газовый лазер

Углекислотный газовый лазер способен излучать сотни киловатт мощности, является одним из самых мощных лазеров непрерывной волны. Углекислотные газовые лазеры также довольно эффективны, с отношением выходной мощности к мощности накачки около 20 процентов. При более высокой мощности этот газовый лазер используется в промышленности и производстве в качестве инструмента для резки и сварки. Луч также может быть модифицирован для получения менее интенсивного луча, который, в сочетании с благоприятной атмосферой, используется для создания дальномерных прицелов для оружия дальнего действия.

Активной средой, ответственной за свечение, являются молекулы углекислого газа, дающие излучение на 10,6 мкм и 9,6 мкм. Самый первый CO2-лазер производил мощность всего в несколько милливатт. CO2-лазеры обычно излучают на длине волны 10,6 мкм, но есть и другие линии в области 9-11 мкм (особенно на 9,6 мкм). В большинстве случаев средняя мощность составляет от нескольких десятков ватт до многих киловатт. Эффективность преобразования мощности может составлять 10-20 %. Это выше, чем у большинства твердотельных лазеров с ламповой накачкой, но гораздо ниже, чем у твердотельных лазеров с диодной накачкой. 

Рис. 3. Режимы колебаний молекул углекислого газа

 Аргоновый ионный лазер

Аргоновый газ в ионизированном состоянии (Ar+) является излучающей средой. Он является важным представителем лазеров на благородных газах и может генерировать большое количество дискретных лазерных линий (длин волн) в диапазоне от ультрафиолетового (275,4 нм) до ближнего инфракрасного (752 нм), причем большая часть мощности развивается на линиях 488 нм и 514,5 нм. Однако, в отличие от гелий-неоновых лазеров, переходы энергетических уровней, которые способствуют действию лазера, происходят от ионов атомов аргона, у которых 1 или 2 электрона были вырваны из их внешних оболочек.

Области применения аргоновых ионных лазеров

Аргоновые ионные лазеры используются во многих сферах. Они находят широкое применение в научных, исследовательских, образовательных, медицинских и коммерческих областях:

• Микроскопия;
• Проточная цитометрия;
• Криминалистика (обнаружение скрытых отпечатков пальцев);
• Лазерные шоу для развлечений;
• Производство волоконных брэгговских решеток;
• Инспекция полупроводниковых пластин;
• Офтальмологическая хирургия;
• Сортировка и классификация критических клеток для секвенирования ДНК;
• Для фототерапии сетчатки глаза, особенно для пациентов с диабетом.

Азотные лазеры

Азотный лазер был разработан как один из первых ультрафиолетовых лазеров в 1963 году. Эти лазеры являются удобными и экономичными источниками коротких, наносекундных, ультрафиолетовых (337,1 нм) импульсов. Средой усиления являются молекулы азота в газовой фазе. Азотный лазер является трехуровневым лазером: верхний уровень лазера накачивается напрямую, что не накладывает ограничений по скорости на насос. Эти лазеры основаны на быстром электрическом разряде через газ N2. Традиционные конструкции требуют вакуумных насосов и проточного газа. Маленькие герметичные трубки, более современный вариант, гораздо удобнее в обращении. Эти лазеры работают на чистом азоте, азотно-гелиевой смеси, а иногда даже просто на воздухе.

Азотные лазеры способны генерировать пиковую мощность в несколько мегаватт, с длительностью импульса 10 нсек, с частотой повторения 1000 Гц на длине волны 337,1 нм в УФ-области, со средней энергией в сотни милливатт. Поскольку время жизни верхнего и нижнего уровней лазера составляет около 40 нсек и 10 микросекунд соответственно, работа в режиме непрерывного тока невозможна.

Применение азотных лазеров 

• Источник накачки для лазеров на красителях;
• Измерение загрязнения воздуха с помощью LIDAR;
• Секвенирование ДНК;
• Лазерная абляция;
• Производство быстрых, плотных импульсов фотоэлектронов для тестирования материалов;
• Биомедицинская диагностика;
• Изучение эффектов флуоресценции;
• Исследования, связанные с комбинационным рассеянием;
• Измерение размера частиц с помощью рассеяния света;
• Использование в оптической когерентной томографии (ОКТ) в медицинском секторе;
• Для определения характеристик устройств, таких как гироскопы и волоконно-оптические датчики.

Эксимерные лазеры

Название эксимер относится к электронно-возбужденным видам, таким как мономеры, димеры и другие комплексы, которые существуют только в электронно-возбужденном состоянии. Эксимеры характеризуются коротким временем жизни излучения порядка наносекунд и большими сечениями вынужденного излучения, что обеспечивает эффективную работу лазера. Термин эксимер означает "возбужденный димер", где димер относится к молекуле, состоящей из двух одинаковых или похожих частей. В случае эксимерных лазеров, которые состоят из галогенидов инертных газов, обе молекулы разные. В этом случае эксиплекс следует использовать для обозначения "возбужденного комплекса". 

Рис. 4. Схема эксимерного лазера 

Молекула эксимерного лазера содержит атом благородного газа (аргон, криптон, ксенон и др.) и атом галогена (фтор, хлор, бром, йод и др.). Эксимерные лазеры основаны на электронных переходах и излучают в основном в УФ-спектральном диапазоне. Эти лазеры - газовые лазеры, излучающие импульсы света длительностью около 10 нс в ультрафиолетовом (УФ) спектральном диапазоне. Это самые мощные лазеры в УФ-диапазоне.

Гелий-кадмиевые лазеры

Переходы в гелий-кадмиевом лазере осуществляются между энергетическими уровнями одиночно ионизированных атомов кадмия, и существует около двенадцати линий. Эти длины волн находятся в области более коротких волн, фиолетовых и ультрафиолетовых (УФ). Наиболее заметные длины волн - 441,6 нм и 325 нм. Буферный газ гелий играет в He-Cd практически ту же роль, что и в гелий-неоновом лазере. Возбужденный гелий в разряде очень хорошо соединяется с верхним лазерным уровнем иона кадмия. Гелий-кадмиевые лазеры обычно имеют менее 10 Торр гелия, ограниченного в отверстии диаметром порядка 1 мм, а испаренный кадмий составляет около 0,1% от концентрации гелия.

Рис. 5. Газоразрядная трубка гелий-кадмиевого лазера 

Применение гелий-кадмиевых лазеров

• Литография;
• Стереолитография, в которой ультрафиолетовый лазер используется для создания сгенерированных компьютером моделей в пластиковом материале;
• Синяя длина волны используется для печати на светочувствительных материалах;
• Проточная цитометрия;
• Изготовление компакт-дисков;
• Проверка микрочипов;
• Флуоресцентный анализ;
• Изготовление дифракционных решеток;
• Спектроскопия;
• Лазерная диагностика раковых опухолей.

Криптоновый лазер

Механизм возбуждения такого лазера должен дать необходимую энергию для удаления электрона из излучающего атома, чтобы создать ион, а затем должен предоставить дополнительную энергию, чтобы поднять ион в соответствующее возбужденное состояние. Эти большие требования к входной энергии приводят к низкой эффективности практически всех ионных лазеров. Уровни энергии криптоновых ионных лазеров похожи на аргоновые, и они также могут работать либо на одной линии за раз, либо на нескольких линиях одновременно.

Криптон-ионный лазер и аргон-ионный лазеры схожи по конструкции и производительности, при этом аргоновая система обеспечивает более высокую мощность для более длительного срока службы. Криптон-ионные лазеры по конструкции и надежности почти идентичны аргоновым лазерам. Криптоновые лазеры излучают на нескольких длинах волн: в видимом диапазоне - 406,7 нм, 413,1 нм, 415,4 нм, 468,0 нм, 476,2 нм, 482,5 нм, 520,8 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм, 676,4 нм. 

Области применения криптоновых ионных лазеров почти такие же, как и аргоновых. Они включают такие области, как высокопроизводительная печать, нанесение изображений на поверхность материала, судебная медицина, общая и офтальмологическая хирургия, лазерные шоу для развлечений, голография, исследования в области электрооптики, источник оптической "накачки" для других лазеров, спектроскопия.

Рис. 6. Схема энергетических переходов в СО2 лазерах

Области применения газовых лазеров 

Co2-лазер  применяется во многих отраслях промышленности из-за большого диапазона мощностей и высокой эффективности.

Наиболее часто данные лазеры используются для обработки материалов. Лазеры используются для резки, сварки, травления или гравировки материалов. Мощные CO2-лазеры часто используются в промышленности для резки и сварки, в то время как лазеры более низкого уровня мощности применяются для гравировки. Для резки пластика, дерева, плит, обладающих высоким поглощением при 10,6 мкм, требуются умеренные мощности 20-200 Вт, тогда как для резки и сварки металлов, таких как нержавеющая сталь, алюминий или медь, требуются многокиловаттные мощности.

Газовые лазеры также применяются в хирургических процедурах, поскольку вода, присутствующая в большинстве биологических тканей, очень хорошо поглощает свет этой частоты. CO2-лазеры используются в хирургии для разрезания кожи, остановки небольшого кровотечения во время операции, удаления или выпаривания аномалий, шлифовки кожи и т. д. Кроме того, его можно использовать для лечения некоторых заболеваний кожи, например, для удаления бугорков.

Поскольку атмосфера прозрачна для длины волны CO2, эти лазеры также используются для военных дальномеров и LIDAR. Большая рабочая длина волны CO2-лазеров делает их почти безопасными для глаз, особенно при низкой интенсивности.