У лазера кожного типу є свої переваги і недоліки. У твердих речовинах можна створити велику концентрацію випромінюючих атомів і, отже отримати велику енергію з одного кубічного сантиметр стрижня. Але їх важко робити, вони дороги і до того ж можуть лопатися через перегрів під ча роботи.
Гази дуже однорідні оптично, розсіювання світла в них мало, тому розмір газового лазера може бути досить значним: довжина 10 метрів при діаметрі 10-20 сантиметрів для нього н межа. Але таке збільшення розміру вимушений захід, необхідна для того, щоб компенсувати незначну кількість активні атомів газу, що знаходиться в трубці лазера під тиском в соті частки атмосфери. Прокачування газу дещо рятує справу, дозволяючи зменшити розмір випромінювача. Але для того, щоб ганяти газ по замкнутому колу, потрібен насос, холодильник, різні фильт-ри. А в результаті та ж ЛТ-1 за-нимает площа двадцять квад-ратних метрів при висоті уста-новки близько трьох метрів.
Рідини об'єднують в собі переваги і твердих і газооб-різних лазерних матеріалів: щільність їх всього в два-три рази нижче щільності твердих тіл (а не в сотні тисяч разів, як щільність газів). Тому кількість їх атомів в одиниці об'єму приклад-но однаково. Значить, рідинний-ний лазер легко зробити таким же потужним, як лазер твердотілих-ний. Оптична однорідність рідин не поступається однород-ності газів, а значить, дозволяє використовувати великі її обсяги. До того ж рідина теж можна прокачувати через робочий об'єк-ем, безперервно підтримуючи її низьку температуру і високу активність її атомів.
Найбільш широко поширеною-нени
Називаються вони так тому, що їхня робоча рідина - ра-створ анілінових фарб (на кшталт тих, якими кра-сят шерсть і бавовна) в воді, спір-ті, кислоті і інших розчиніть-лях. Рідина налита в плоску ванночку-кювету. Кювету, разу-розуміється, встановлена між Зерка-лами. Енергія молекули краси-теля «накачується» оптично, тільки замість лампи-спалахи на перших порах використовувалися імпульсні рубінові лазери, а пізніше - лазери газові. Лазер-накачування всередину рідинного лазі розчину не вбудовують, а поміщають в сторонці, вводячи його промінь в кювету через віконце в корпусі. Зараз, правда, вдалося домогтися генера-ції світла і з імпульсною лампою, але не на всіх барвниках.
Розчини можуть випромінювати їм-пульс світла різної довжини хвилі-від ультрафіолету до ін-фракрасного світла - і потужно-стю від сотень кіловат до Ні-скількох мегават, в залежності від того, який барвник налитий в кювету.
Лазери на барвниках обла-дають цікавою особливістю. Всі лазери випромінюють строго на одній довжині хвилі. Це їх властивість лежить в самій природі винуж-денного випромінювання атомів, на якому заснований весь лазерний ефект.
У великих і важких молекулами-лах органічних барвників ви-нужденності випромінювання виникає відразу в широкій смузі довжин хвиль. Щоб домогтися від лазера на барвниках монохроматично-сти, на шляху променя стає све-тофільтр. Це не просто окра-шенное скельце, яке, напри-заходів, служить фільтром при фото-графірованіі. Він являє собою набір скляних пластин, які пропускають тільки світло однієї довжини хвилі. Змінюючи рас-стояння між пластинами, мож-но злегка змінити довжину віл-ни лазерного випромінювання. Такий лазер називається перебудовувати-мим. А для того, щоб лазер міг генерувати світло в різних ділянках спектра - переходити, скажімо, від синього до червоного све-ту або від ультрафіолетового до зе-леному, -досить змінити кю-вету з робочою рідиною.
На-ряду з широкосмуговими рідинними лазерами існують і такі, у яких, навпаки, монохроматичность набагато вище, ніж у лазерів на твердому тілі або на газі. І привела до створення таких лазерів дуже проста ідея. Якщо існують лазери, де світло випромінюють атоми рідкісного еле-мента неодиму, з солями якого зварена скляна маса, то по-чому б ці солі не розчиниться і не залити їх в кювету? Ширина смуги випромінювання такого лазера в сто раз вже, ніж у твердотільного лазера на неодімовим склі.
Гелій-неоновий лазер. Активним середовищем є газоподібна суміш гелію і неону. Генерація здійснюється за рахунок переходів між енергетичними рівнями неону, а гелій грає роль посередника, через який енергія передається атомам неону для створення інверсної заселеності.
Неон, в принципі, може генерувати лазерне вивчення в результаті більше 130 різних переходів. Однак найбільш інтенсивними є лінії з довжиною хвилі 632,8 нм, 1,15 і 3,39 мкм. Хвиля 632,8 нм знаходиться у видимій частині спектру, а хвилі 1,15 і 3,39 мкм - в інфрачервоній.
При пропущенні струму через гелій-неонове суміш газів електронним ударом атоми гелію збуджуються до станів 2 3 S і 2 2 S, які є метастабільними, оскільки перехід в основний стан з них заборонений квантово-механічними правилами відбору. При проходженні струму атоми накопичуються на цих рівнях. Коли збуджений атом гелію зіштовхується з незбудженим атомом неону, енергія збудження переходить до останнього. Цей перехід здійснюється дуже ефективно завдяки хорошому збігу енергії відповідних рівнів. Внаслідок цього на рівнях 3S і 2S неону утвориться інверсна заселеність щодо рівнів 2P і 3P, яка веде до можливості генерації лазерного випромінювання. Лазер може оперувати в безперервному режимі. Випромінювання гелій-неонового лазера лінійно поляризоване. Зазвичай тиск гелію в камері становить 332 Па, а неону - 66 Па. Постійна напруга на трубці близько 4 кВ. Одне з дзеркал має коефіцієнт відбиття порядку 0,999, а друге, через яке виходить лазерне випромінювання, - близько 0,990. Як дзеркал використовують багатошарові діелектрики, оскільки більш низькі коефіцієнти відображення не забезпечують досягнення порогу генерації.
С02-лазер із замкнутим об'ємом. Молекули вуглекислого газу, як і інші молекули, мають смугастий спектр, обумовлений наявністю коливальних і обертальних рівнів енергії. Використовуваний в CO2 - лазері перехід дає випромінювання з довжиною хвилі 10,6 мкм, т. Е. Лежить в інфрачервоній області спектра. Користуючись коливальними рівнями, може дещо варіювати частоту випромінювання в межах приблизно від 9,2 до 10,8 мкм. Енергія молекул CO2 передається від молекул азоту N2. які самі збуджуються електронним ударом при проходженні струму через суміш.
Мал. 5. Схема енергетичних рівнів в CO2-лазера
Збуджений стан молекули азоту N2 є метастабільним і відстоїть від основного рівня на відстані 2318 см -1. що дуже близько до енергетичного рівня (001) молекули CO2 (рис. 5). З огляду на метастабильности збудженого стану N2 при проходженні струму число збуджених атомів накопичується. При зіткненні N2 з CO2 відбувається резонансна передача енергії збудження від N2 до CO2. Внаслідок цього виникає інверсія заселеності між рівнями (001), (100), (020) молекул CO2. Зазвичай для зменшення заселеності рівня (100), який має великий час життя, що погіршує генерацію при переході на цей рівень, додають гелій. У типових умовах суміш газів в лазері складається з гелію (1330 Па), азоту (133 Па) і вуглекислого газу (133 Па).
При роботі CO2 - лазера відбувається розпад молекул CO2 на СО і О, завдяки чому активне середовище послаблюється. Далі СО розпадається на С і О, а вуглець осідає на електродах і стінках трубки. Все це погіршує роботу СO2-лазера. Щоб подолати шкідливу дію цих факторів в закриту систему додають пари води, які стимулюють реакцію
Використовуються платинові електроди, матеріал яких є каталізатором для цієї реакції. Для збільшення запасу активного середовища резонатор з'єднується з додатковими ємностями, що містять CO2. N2. Не, які в необхідній кількості додаються в обсяг резонатора для підтримки оптимальних умов роботи лазера. Такий закритий CO2-лазер, в змозі працювати протягом багатьох тисяч годин.
Проточний СО2-лазер. Важливою модифікацією є проточний СО2-лазер, в якому суміш газів CO2. N2. Чи не безперервно прокачується через резонатор. Такий лазер може генерувати безперервне когерентне випромінювання потужністю понад 50 Вт на метр довжини своєю активною середовища.
Мал. 6. Неодимовий лазер
Неодимовий лазер. На рис. 6 показана схема так званого неодимового лазера. Назва може ввести в оману. Тілом лазера є не метал неодим, а звичайне скло з домішкою неодиму. Іони атомів неодиму безладно розподілені серед атомів кремнію і кисню. Накачування виробляються лампами-блискавками. Лампи дають випромінювання в межах довжин хвиль від 0,5 до 0,9 мкм. Виникає широка смуга збуджених станів. Абсолютно умовно вона зображена п'ятьма рисками. Атоми здійснюють Безвипромінювальні переходи на верхній лазерний рівень. Кожен перехід дає різну енергію, яка перетворюється в коливальну енергію всієї «решітки» атомів.
Лазерне випромінювання, тобто перехід на порожній нижній рівень, позначений цифрою 1, має довжину хвилі 1,06 мкм.
Показаний пунктиром перехід з рівня 1 на основний рівень «не працює». Енергія виділяється у вигляді некогерентного випромінювання.
Т-лазер. У багатьох практичних додатках важливу роль відіграє СO2 лазер, в якому робоча суміш знаходиться під атмосферним тиском і збуджується поперечним електричним полем (Т-лазер). Оскільки електроди розташовані паралельно осі резонатора, для. отримання великих значень напруженості електричного поля в резонаторі потрібні порівняно невеликі різниці потенціалів між електродами, що дає можливість працювати в імпульсному режимі при атмосферному тиску, коли концентрація CO2 в резонаторі велика. Отже, вдається отримати більшу потужність, що досягає зазвичай 10 МВт і більше в одному імпульсі випромінювання тривалістю менше 1 мкс. Частота повторення імпульсів в таких лазерах становить зазвичай кілька імпульсів в хвилину.
Лазери на барвниках. Барвники є дуже складними молекулами, у яких сильно виражені коливальні рівні енергії. Енергетичні рівні в смузі спектра розташовуються майже безперервно. Внаслідок внутримолекулярного взаємодії молекула дуже швидко (за часи порядку 10 -11 -10 -12 с) переходить безвипромінювальної на нижній енергетичний рівень кожної смуги. Тому після порушення молекул через дуже короткий проміжок часу на нижньому рівні смуги Е1 зосередяться всі збуджені молекули. Вони далі мають можливість здійснити радіаційний перехід на будь-який з енергетичних рівнів нижньої смуги. Таким чином, можливо випромінювання практично будь-якої частоти в інтервалі, відповідному ширині нульової смуги. А це означає, що якщо молекули барвника взяти в якості активної речовини для генерації лазерного випромінювання, то в залежності від настройки резонатора можна отримати практично безперервну перебудову частоти генерованого лазерного випромінювання. Тому на барвниках створюються лазери з перебудовується частотою генерації. Накачування лазерів на барвниках проводиться газорозрядними лампами або випромінюванням інших лазерів,
Виділення частот генерації досягається тим, що поріг генерації створюється тільки для вузької області частот. Наприклад, положення призми і дзеркала підбираються так, що в середу після відбиття від дзеркала завдяки дисперсії і різних кутах заломлення повертаються лише промені з певною довжиною хвилі. Тільки для таких довжин хвиль забезпечується лазерна генерація. Обертаючи призму, можна забезпечити безперервну перебудову частоти випромінювання лазера на барвниках. Генерація здійснена з багатьма барвниками, що дозволило отримати лазерне випромінювання не тільки в усьому оптичному діапазоні, а й на значній частині інфрачервоної і ультрафіолетової частини спектру.