Принцип работы газового лазера: устройство, накачка и типы лазеров

[Liza]

Газовый лазер — это устройство, где активная среда представлена газом или его смесью. Оно генерирует мощный направленный световой луч благодаря электрическому разряду. Понимание принципа работы поможет разобраться, как такие лазеры применяются в промышленности и науке.

Знание основ газового лазера упростит выбор оборудования для резки или маркировки. Это решает проблемы с низким качеством излучения в других типах лазеров. В статье разберем устройство, этапы работы и примеры популярных моделей.

Основные компоненты газового лазера

Газовый лазер строится вокруг газоразрядной трубки, заполненной смесью газов под низким давлением. Эта трубка — сердце системы, где происходит возбуждение атомов. Электроды создают разряд, а оптический резонатор из зеркал направляет и усиливает свет. Такая конструкция обеспечивает высокую оптическую однородность газа, что дает чистое излучение без искажений.

Например, в гелий-неоновом лазере трубка длиной около 20 см генерирует красный луч на длине волны 632,8 нм. Он прост в устройстве и надежен для юстировки. В мощных СО2-лазерах трубка длиннее, чтобы справляться с высокой мощностью. Эти элементы работают вместе, превращая электричество в лазерный луч.

Вот ключевые компоненты:

• Газоразрядная трубка: стеклянная или кварцевая, герметичная, с газом низкого давления.
• Оптический резонатор: два зеркала, одно полупрозрачное, для усиления фотонов.
• Электроды: создают высоковольтный разряд для накачки энергии.
• Система охлаждения: обязательна для непрерывного режима, чтобы избежать перегрева.

Компонент	Функция	Пример
Трубка	Активная среда	Смесь He-Ne, CO2
Зеркала	Усиление луча	Полупрозрачное на выходе
Электроды	Ионизация газа	Высоковольтный импульс

Принцип накачки и возбуждения среды

Накачка в газовом лазере происходит через электрический разряд: электроны ускоряются и сталкиваются с атомами газа. Это переводит атомы на высшие энергетические уровни, создавая инверсию населенностей. Затем возбужденные атомы испускают фотоны, которые стимулируют других атомов, запуская цепную реакцию.

В гелий-неоновом лазере гелий сначала возбуждается электронами, а потом передает энергию неону при столкновениях. Это эффективный двухэтапный процесс. В СО2-лазере разряд ионизирует смесь CO2, N2 и He, генерируя инфракрасный луч длиной 10 микрометров. Такой подход обеспечивает стабильную работу в непрерывном или импульсном режиме.

Этапы накачки:

1. Ионизация газа: Высоковольтный импульс создает плазму.
2. Возбуждение атомов: Электроны передают энергию частицам.
3. Инверсия населенностей: Больше атомов на верхнем уровне.

Важный нюанс: Для непрерывной генерации нужен быстрый распад нижнего уровня, иначе энергия не накапливается.

Тип накачки	Преимущества	Недостатки
Непрерывный разряд	Стабильный луч	Требует охлаждения
Импульсный	Высокая пиковая мощность	Менее стабилен
Электронный удар	Эффективен для смесей	Сложная электроника

Типы газовых лазеров и их особенности

Газовые лазеры делятся по составу среды: гелий-неоновые для видимого света, СО2 для инфракрасного, азотные для УФ. Каждый тип оптимизирован под задачи. Гелий-неоновые компактны и используются в интерферометрах. СО2-лазеры режают металл и пластик благодаря мощности.

Азотные лазеры работают на чистом N2 или смеси с воздухом, генерируя короткие импульсы. Они проще в конструкции, но требуют проточного газа. В промышленности СО2-лазеры популярны за низкую стоимость ватта и надежность трубок. Выбор типа зависит от длины волны и мощности.

Популярные типы:

• He-Ne лазер: Красный луч, 1-5 мВт, для юстировки.
• CO2 лазер: ИК-излучение, до кВт, для резки.
• N2 лазер: УФ, импульсный, для спектроскопии.

Ключевой плюс: Высокая однородность газа дает лучшее качество луча, чем у твердотельных аналогов.

Тип	Длина волны	Применение
He-Ne	632,8 нм	Оптика, измерения
CO2	10 мкм	Резка, гравировка
N2	УФ-диапазон	Научные исследования

Генерация и выход лазерного луча

Фотоны, рожденные в газе, отражаются между зеркалами резонатора, многократно проходя среду. Это усиливает луч до пороговой интенсивности. Часть фотонов выходит через полупрозрачное зеркало как когерентный лазерный луч. Процесс основан на стимулированном излучении Эйнштейна.

В СО2-лазере луч поворачивается зеркалами в XY-плоскостях для фокусировки в рабочей зоне. Гелий-неоновый дает узкий красный луч для точной юстировки. Импульсные лазеры достигают пиковой мощности за счет быстрой накачки. Стабильность зависит от давления газа и охлаждения.

Процесс генерации:

• Стимулированная эмиссия: Фотон вызывает цепную реакцию.
• Усиление в резонаторе: Многократные отражения.
• Выход луча: Через полупрозрачное зеркало.

Нюанс: В импульсном режиме проще избежать перегрева, но нужен вакуумный насос.

Перспективы развития газовых лазеров

Газовые лазеры остаются актуальными благодаря простоте и мощности, но эволюционируют к компактным герметичным трубкам. Это упрощает эксплуатацию без проточного газа. Дальше — интеграция с ЧПУ-системами для точной обработки.

Остается открытым вопрос повышения эффективности накачки для снижения энергозатрат. В энергетике и металлообработке ждут гибридных моделей с лучшим охлаждением. Стоит изучить, как смеси газов влияют на длину волны для новых применений.