Активним середовищем лазерів даного типу є газ або суміш газів.
У газових лазерах робочими мікрочастинками є атоми газу (неону Ne, ксенону Хе), позитивно заряджені іони (неону Ne 2+. Ne 3+. Аргону Ar 2+. Криптону Kr 2+), молекули (азоту N2. Вуглекислого газу CO2. Води H2 О, синильної кислоти HCN). Досить часто до основного робочого газу домішують інший газ. Наприклад, в неоновому лазері активними випромінюючими частками є атоми неону Ne. Домішка гелію He покращує умови збудження атомів неону Ne шляхом резонансної передачі енергії на верхні рівні квантової системи.
Особливістю активного середовища, що знаходиться в газовій фазі, є її висока оптична однорідність, що дозволяє застосовувати великі довжини резонатора і вимагати більшої спрямованості і монохроматичности випромінювання. Оптичне накачування газової системи неефективна оскільки гази поглинають енергію в вузьких спектральних смугах (лініях), а лампи випромінюють світло в широких частотних діапазонах. ККД оптичної накачки за допомогою ламп в газових лазерах дуже малий.
Тому лазери даної групи накачуються пропусканням через активне середовище електричного струму, або так званим тліючим розрядом.
Вільні електрони, що виникають в процесі розряду, при зіткненнях з мікрочастинками (атомами, іонами, молекулами) газу, за допомогою електронного удару збуджують їх і перекладають на більш високі рівні енергії. Якщо час життя збуджених мікрочастинок на верхніх енергетичних рівнях відносно велике, то в газовому середовищі створюється чітко виражена і стійка інверсія заселеність. Метод електронного удару ефективно використовується для накачування газових лазерів, що діють в безперервному і / або імпульсному режимах.
Успішно застосовується і спосіб резонансної передачі збудження. при якому порушення мікрочастинок одного виду відбувається при непружних зіткненнях з мікрочастинками іншого виду. При цьому створення активного середовища в газі відбувається в дві стадії: спочатку електрони збуджують мікрочастинки допоміжного газу, які потім в процесі непружних зіткнень з мікрочастинками робочого газу передають їм надлишкову енергію. Початкове накопичення енергії допоміжних мікрочастинок відбувається належним чином, якщо час життя цих мікрочастинок на високих енергетичних рівнях щодо велике.
Рідше використовуються методи хімічної накачування, газодинамічного розширення і т.п.
У газових лазерах трубка з активним газом поміщається в оптичний резонатор, що складається в найпростішому випадку з двох паралельних дзеркал, одне з яких є напівпрозорим. Оптична хвиля, поширюючись через активний газ, посилюється і створює лавину фотонів. Дійшовши до напівпрозорого дзеркала, хвиля частково виходить за межі резонатора, створюючи вихідний лазерне випромінювання. Інша частина оптичної енергії відбивається від дзеркала і породжує нову лавину фотонів. Всі фотони ідентичні по частоті, фазі і напрямку подальшого поширення.
Газові лазери працюють в дуже широкому частотному діапазоні (від ультрафіолетового до далекого інфрачервоного).
Гази в порівнянні з твердими тілами і рідинами мають значно меншу щільність і більш високою однорідністю, тому оптичний промінь в газах практично не спотворюється, не розсіюється і не втрачає енергію. В результаті спрямованість лазерного випромінювання в газових лазерах різко зростає до межі, що визначається дифракцією світла. Розбіжність світлового променя газових лазерів в області видимого світла складає 10 -5 -10 -4 рад, а в інфрачервоної області 10 -4 -10 -3 рад.
У газових лазерах стабільність частоти випромінювання визначається головним чином нерухомістю дзеркал і інших компонентів оптичного резонатора, що гарантує виключно високу стабільність частоти. Вельми важливо, що газові лазери здатні без принципових труднощів формувати оптичні коливання однієї певної частоти (монохроматичне випромінювання).
У молекулярних лазерах енергетичні рівні обумовлені коливальними рівнями молекул, тобто відносним рухом складових атомів, а атомні електрони залишаються на низьких енергетичних рівнях і не порушуються. Характерним і найбільш поширеним представником групи молекулярних лазерів є лазер на вуглекислому газі CO2.
У перших зарубіжних і вітчизняних пристроях СtP, наприклад в лазерному гравірувальному автоматі ЛГА, використовувалися саме CO2-лазери. Однак в даний час вони застосовуються рідко, в основному для гравірування металів або полімерів. Причиною тому стали такі недоліки CO2-лазерів, як високі вимоги до охолодження, мала глибина різкості, великий розмір плями (більше 30 мкм).
У газорозрядних CO2-лазера інверсія заселеність досягається збудженням молекул електронним ударом і резонансною передачею збудження. Для передачі енергії збудження служать молекули азоту N2. порушувані, в свою чергу, електронним ударом. Зазвичай в умовах тліючого розряду близько 90% молекул азоту переходить в збуджений стан, час життя якого дуже велике. Молекулярний азот добре акумулює енергію збудження і легко передає її молекулам CO2 в процесі непружних зіткнень. Висока інверсія заселеність досягається додаванням в розрядну суміш гелію, який полегшує умови виникнення розряду і сприяє спустошенню нижніх лазерних рівнів молекули CO2.
Тонка структура коливальних рівнів молекули вуглекислого газу дозволяє змінювати довжину хвилі (перебудовувати лазер) дискретно в інтервалі довжин хвиль від 940 до 1060 нм.
СО2лазер забезпечує високу потужність випромінювання в безперервному режимі. При порушенні молекул вуглекислого газу електронним розрядом такої лазер випромінює потужність до 10 кВт. Дані лазери володіють великим ККД, що становить 15-20%, а іноді досягає і 40%. СО2 лазери ефективно діють і в імпульсному режимі.
Конструкція СО2 лазерів дозволяє забезпечити високий рівень енергетичної, частотної та кутовий стабільності вихідного випромінювання. Належне узгодження осьової симетрії активного середовища і резонатора дозволяє забезпечити надійну селекцію поперечних мод і виділення нижчої моди ТЕМ00. Стабільність кутового положення вихідного випромінювання дозволяє з високою точністю контролювати місце розташування сфокусованого пучка на поверхні формного матеріалу. Мала апертура генерується пучка дає можливість застосовувати відносно дешеві оптичні елементи. Якість випромінювання лазера дає можливість фокусувати його пучок в пляма розміром 50-100 мкм і отримувати інтенсивність випромінювання в плямі до 108 Вт / см 2.
Одним з основних умов роботи СО2 лазера є неприпустимість нагрівання лазерної суміші вище температури 600-700 ° К, а отже, необхідно її ефективне охолодження. Відведення тепла від робочої суміші лазера може здійснюватися або за рахунок дифузії тепла до охолоджувальної стінці розрядної трубки, або шляхом заміни нагрітої порції газу на нову. Тому за способом охолодження робочої суміші газорозрядні СО2 лазери прийнято ділити на лазери з дифузійним і конвективним охолодженням.
Принцип дифузійного охолодження робочої суміші газового лазера полягає у відведенні тепла, що виділяється в процесі лазерної генерації, внаслідок процесу молекулярної теплопровідності газу до охолоджуваних стінок трубки або камери.
У лазерах з конвективним охолодженням робочої суміші, здійснюваним шляхом її швидкої прокачування через зону газового розряду, досягаються високі рівні робочих тисків і питомої об'ємного енерговклада в порівнянні з відповідними параметрами дифузійних лазерів. Це забезпечується за рахунок різкого скорочення часу охолодження суміші при швидкій прокачування в порівнянні з часом дифузійного охолодження.
Типові схеми конвективних СО2-лазерів з поздовжньої і поперечної прокачуванням складаються з декількох циліндричних (поздовжня прокачування) або однієї прямокутної (поперечна прокачування) розрядних камер, резонатора, теплообмінників, вентилятора, газоводів і вихідного вікна.
Більш широке прімененіенашлі лазери на основі інертних газів - гелій-неоновий (He-Ne) і аргоновий (Ar).
Аргоновий лазер може випромінювати світло семи різних довжин хвиль, однак понад 80% подібних лазерів працюють в діапазонах 488 (блакитний) і 514,5 нм (зелений). У ближній ультрафіолетовій області лазер працює на двох довжинах хвиль - 351,1 і 363,8 нм. Обидві ці області становлять великий практичний інтерес, так як відповідають області максимальної чутливості широко використовуваних фото і формних матеріалів.
У порівнянні з CO2-лазером аргоновий лазер набагато дешевше і простіше в експлуатації. У технологію Computer-to-Plate аргоновий лазер прийшов з ФНА, хоча сьогодні використовується в них рідко. У теперішній час аргонові лазери є найпотужнішими джерелами безперервного когерентного випромінювання в ультрафіолетовому та видимому діапазонах спектру.
Аргоновий лазер працює на іонних переходах, мають відносно високі енергетичні рівні, тому для накачування цього лазера потрібно потужнострумовий розряд. Потужність випромінювання спочатку зростає приблизно пропорційно кубу струму; в режимах ж, близьких до робітників, ця залежність носить приблизно квадратичний характер. При подальшому збільшенні щільності струму (600-1000 А / см 2) спостерігається насичення, а далі йде спад, аж до зникнення генерації.
Через велику щільність струму в газорозрядної трубці відбувається перекачування іонів Ar + у напрямку до катода, що призводить до зриву генерації. З метою компенсації цього ефекту в конструкції газорозрядної трубки передбачена додаткова трубка (обвідний канал), що забезпечує зворотний циркуляцію газу (рис. 3.16). Для запобігання виникнення розряду через цю трубку вона робиться довше основний газорозрядної трубки. Крім того, трубку зазвичай поміщають в постійне магнітне поле, паралельне осі трубки. Поздовжнє магнітне поле в значній мірі впливає на параметри плазми; траєкторії електронів, що рухаються поперек силових ліній поля до стінок розрядної трубки, закручуються. В результаті частота зіткнень в плазмі підвищується, а втрати на стінках зменшуються. Напруга горіння розряду в магнітному полі знижується, і при тому ж розрядному струмі потужність випромінювання збільшується, тобто зростає ККД.
Малюнок 3.17 - Схема рівнів енергії допоміжних і робочих часток гелій-неонового лазера
В діапазоні видимого і інфрачервоного спектрів гелій-неоновий лазер може містити велику кількість (
130) спектральних ліній. Виділення потрібної спектральної лінії здійснюється підбором дзеркал оптичного резонатора, введенням в резонатор диспергуючого або селективно поглинає елемента, а також постійного магніту. У неоновому лазері робоча газова суміш знаходиться в газорозрядної трубці, довжина якої може досягати 0,2-1,0 м.
Оптичний резонатор гелій - неонового лазера (рис. 3.18) містить два увігнутих або плоских дзеркала 1 і 2; в обсязі резонатора розміщена тонка трубка 3 з внутрішнім діаметром близько 1 мм і довжиною приблизно 10 см. У трубку введені гази гелію і неону при співвідношенні парціальних тисків Не рекомендується: Ne = 5: 1 і загальному тиску вакууму 0,4 кПа. Тліючий розряд в трубці забезпечується електричною напругою 1-3 кВ від зовнішнього джерела 4, прикладеним між катодом 5 і анодом 6 трубки; струм розряду (близько 5 мА) обмежується резистором 7 (50 кОм). На кінцях газорозрядної трубки під кутом Брюстера θБр до осі трубки в якості вікон розміщені (приклеєні або приварені) оптичні поліровані скла 8 і 9. Кут Брюстера визначається відношенням θБр = аrctg ncm. де ncm - коефіцієнт заломлення скла. При такому куті відбите світло повністю поляризований.
Малюнок 3.18 - Конструкція гелій-неонового лазера
Трубка виготовляється з високоякісного кварцового скла. Потужність генерації істотно залежить від діаметра трубки. Зі збільшенням її діаметру, з одного боку, зростає обсяг робочої суміші, з іншого - зменшується електронна температура плазми, що призводить до зменшення числа електронів, здатних порушувати атоми газів.
Перевагами гелій-неонових лазерів є когерентність випромінювання, мала споживана потужність (8-10 Вт) і відносно невеликі розміри. Основні недоліки - невисокий ККД (до 10%) і низька вихідна потужність, що не перевищує 100 мВт. При використанні для збудження імпульсного напруги великої амплітуди лазер працює в імпульсному режимі.
Гелій-неоновим лазером з довжиною хвилі 633нм оснащуються, наприклад, площинні CtP-пристрою TigerCat компанії ECRM. Максимальна роздільна здатність запису пристроїв TigerCat - 3556 точок / дюйм, при розмірі точки 14 мкм.
Використання потужних газових короткохвильових лазерів в ФНА дозволяє отримувати растрову точку з більш стабільною характеристикою - «жорстку» точку. У таких точок ступінь почорніння на краях і в центрі розрізняються на дуже малу величину. Прикладом таких джерел є гелій-неонові (He-Ne) і аргонові (Аг) лазери з довжиною хвилі відповідно 650 і 488 нм.
Використання газових короткохвильових лазерів поряд з позитивними має і негативні сторони. Наприклад, значно ускладнюється конструкція ФНА, оскільки необхідна спеціальна система охолодження, контролю, управління роботою і охолодження лазерного пристрою. Це, в свою чергу, різко збільшує ціну ФНА.
Незважаючи на непогані характеристики газових лазерів, останнім часом виробники обладнання CtP, як правило, віддають перевагу більш простим і дешевим твердотілим і напівпровідникових лазерів.