Принцип работы и конструкция газовых лазеров

В газовых лазерах в качестве активной среды применяются газовые среды, а накачка осуществляется с помощью электрического разряда. Это связано с тем, что уширение энергетических уровней в газах довольно мало и использование оптической накачки с помощью ламп, имеющих непрерывный спектр, было бы очень неэффективно.

Для газовых лазеров характерна высокая направленность и монохроматичность, которая обусловлена дискретностью ряда энергетических уровней в газовых средах. Однако, из-за относительно малой плотности возбужденных частиц, удельный энергосъем у газовых лазеров существенно ниже, чем у твердотельных лазеров. Для получения большой выходной мощности используют протяженные активные среды.

К особенностям газовых лазеров также можно отнести высокий коэффициент полезного действия КПД (КПД 30%) и широкую область генерации.

Как правило, конструктивно газовый лазер имеет вид герметичной трубки со смесью газов, помещенный в полусферический резонатор c зеркалами З₁ и З₂.

Рис.3.1. Конструкция газового лазера.

Трубка (кварцевая) длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров подвергается сложной технологической обработке, затем откачивается и наполняется газом или смесью газов. Внутри трубки, как показано на рисунке, устанавливаются электроды для создания разряда в газовой среде. Если для возбуждения лазера используется высокочастотный разряд, то применяются внешние электроды. По расположению внешних электродов схемы накачки делятся на продольные и поперечные. В газовом лазере с продольной схемой накачки трубка охвачена двумя кольцами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга, куда подается напряжение. Во втором случае трубка помещается между двумя параллельными электродами.

Рис.3.2. Газовые лазеры с внешними электродами.

Торцы газоразрядной трубки закрываются плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками, составляющими с осью резонатора угол Брюстера. Установка торцевых пластин под углом Брюстера приводит, во-первых, к уменьшению порога генерации и, во-вторых, позволяет получить на выходе плоскополяризованное лазерное излучение.

Для возбуждения лазера используют стационарный разряд:

-дуговой разряд (плотность тока j 10³ А\см², степень ионизации =10%);

-тлеющий разряд (плотность тока j 10^-5 10^-1А\ см², степень ионизации =10^-4 10^-3 %) - это разряд постоянным током и высокочастотный разряд.

После приложения к электродам напряжения, в объеме газа образуется плазма, состоящая из нейтральных атомов, электронов, положительных и отрицательных ионов. Положительные ионы начинают двигаться к катоду, а быстрые электроны и отрицательные ионы - к аноду.

Газовые лазеры можно подразделить на следующие разновидности: газовые лазеры на нейтральных атомах (гелий-неоновый лазер); ионные газовые лазеры (аргоновый лазер); молекулярные лазеры (СО₂-лазер).