Лазер на парах меди¶

Лазер на парах меди — это газовый лазер, в котором активной средой служат пары меди, возбуждаемые электрическим разрядом, и который генерирует импульсное излучение в видимой области спектра на длинах волн 510,6 нм (зелёный) и 578,2 нм (жёлтый). Относится к классу лазеров на самоограниченных переходах и известен высокой средней мощностью при высоком коэффициенте усиления.

¶История

Идея создания лазера на парах металлов возникла в 1960-х годах. Первая демонстрация лазерной генерации на парах меди была осуществлена в 1966 году независимо У. Т. Уолтером (США) и А. Исаевым с коллегами (СССР). Разработка велась в рамках поиска мощных источников когерентного излучения в видимой области. К 1970-м годам были достигнуты значительные мощности, что стимулировало промышленное освоение технологии, особенно в СССР, где такие лазеры производились серийно для научных и технологических нужд.

¶Принцип действия и конструкция

Активной средой является инертный газ (обычно неон) с добавлением паров меди. Атомы меди возбуждаются в электрическом разряде, создаваемом в газоразрядной трубке. Генерация происходит на переходах между резонансными и метастабильными уровнями. Нижний уровень лазерного перехода является метастабильным и опустошается в основном за счёт столкновений с электронами и атомами буферного газа, что требует импульсного режима работы с частотой повторения импульсов от единиц до десятков килогерц.

Конструктивно лазер состоит из разрядной трубки (керамической или кварцевой), электродов, системы нагрева для поддержания необходимой концентрации паров меди (рабочая температура 1400–1600 °C) и оптического резонатора. Для обеспечения высокой частоты следования импульсов используются специальные схемы накачки с тиратронами или транзисторами.

¶Характеристики

• Длины волн: 510,6 нм (зелёный) и 578,2 нм (жёлтый), часто излучаются одновременно.
• Средняя мощность: от единиц ватт до сотен ватт в коммерческих образцах; лабораторные установки достигли киловаттного уровня.
• Импульсная мощность: высокая, длительность импульса 10–50 нс.
• Коэффициент усиления: очень высокий, достигает десятков децибел на метр, что позволяет работать без зеркал (в режиме суперсветимости).
• Расходимость пучка: близка к дифракционному пределу при правильной юстировке.

¶Применение

Лазеры на парах меди нашли применение в областях, где требуются мощные импульсы в видимой части спектра:

• Разделение изотопов — используется в технологии атомного лазерного разделения изотопов урана (AVLIS), где требуется селективное возбуждение атомов.
• Лазерная микрообработка — прецизионная резка, сверление и маркировка материалов, включая хрупкие и термочувствительные.
• Накачка лазеров на красителях — благодаря высокой частоте повторения и коротким импульсам эффективно накачивает перестраиваемые лазеры.
• Медицина — в дерматологии и офтальмологии для коагуляции тканей и фототерапии (жёлтая линия 578 нм эффективно поглощается гемоглобином).
• Научные исследования — в спектроскопии, голографии и лазерной диагностике плазмы.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам относятся высокие средняя мощность и частота повторения импульсов, работа в видимой области без нелинейного преобразования частоты, а также простота получения высокого усиления. Недостатки связаны с технической сложностью: необходимость высокотемпературного нагрева активной зоны, относительно низкий КПД (0,1–1 %), ограниченный ресурс газоразрядной трубки и необходимость обслуживания.

¶Современное состояние

С развитием твёрдотельных лазеров с диодной накачкой и волоконных лазеров интерес к лазерам на парах меди в коммерческих применениях снизился. Однако они остаются востребованными в специализированных областях, особенно в ядерной энергетике (разделение изотопов) и в научных лабораториях, где их уникальные характеристики — высокая частота повторения и мощность в видимой области — остаются конкурентными.