Беседы о физике и технике

13. Современный гиперболоид

В 1925–1926 гг. советский писатель А.Н.Толстой написал и опубликовал первый вариант романа «Гиперболоид инженера Гарина». В нем автор рассказал о некоем инженере Гарине, укравшем идею у своего коллеги, который изобрел аппарат, позволяющий получить сверхмощное световое излучение. Сила излучения была такова, что оно было в состоянии разрушать горы, превращать в пар огромные массы воды, проникать в глубь Земли до жидкого гипотетического оливинового пояса — «кладовой золота». Свое изобретение инженер Гарин использовал прежде всего во зло людям в стремлении стать мировым диктатором, добыв из земных недр несметное количество золота. Это произведение А.Н.Толстого можно по праву назвать научно-фантастическим романом, опередившим свое время на четверть века.

А КАК ВСЕ ПРОИСХОДИЛО В ЖИЗНИ?

В 1951 г. А.М.Прохоровым были проведены исследования по радиоспектроскопии: изучалось поведение молекул в электромагнитных полях радиочастотного диапазона.

Вскоре после этого молодыми учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (ныне известными академиками) была выдвинута идея создания молекулярного генератора, который основан на индуцированном (вынужденном) испускании электромагнитных колебаний сверхвысоких частот (СВЧ) молекулами или атомами под действием поля излучения. Необходимо заметить, что существование такого излучения наряду со спонтанным (самопроизвольным) было предсказано А. Эйнштейном еще в 1916 г.

И вот через три года упорного труда, в 1954 г., были разработаны и исследованы молекулярные квантовые генераторы — мазеры — в СССР Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, а независимо от них в США — Ч. Таунсом.

Создание молекулярного генератора ознаменовало рождение новой области физики — квантовой электроники, стоящей на стыке между радиофизикой и оптикой.

Эта область интенсивно развивается в настоящее время, причем ведущую роль в этом развитии играют советские физики, о чем свидетельствует присуждение в 1964 г. Нобелевской премии Н. Г. Басову и А. М. Прохорову (совместно с американцем Ч. Таунсом).

В конце 60-х годов выявились возможности создания квантового генератора оптического диапазона — лазера — этого своеобразного «гиперболоида XX века».

Само слово «лазер» образовано от начальных букв английской фразы «Light Amplification by Stimulated emission of Radiation», что означает «усиление света путем индуцированного испускания излучения».

МЫ УЖЕ СТОЛЬКО РАЗ ПРОИЗНОСИЛИ ЭТО СЛОВО «ЛАЗЕР». ПОРА ПОГОВОРИТЬ И О САМОМ ЛАЗЕРЕ.

Изобретение принципиально новых источников света — лазеров — вдохнуло новую жизнь в оптику, к этому времени считавшуюся завершенной наукой.

Свет получил множество новых применений, так как приобрел совершенно новые качества: высокую монохроматичность (предельно высокую цветовую чистоту), острую пространственную направленность, огромную спектральную яркость. С точки зрения классической оптики был создан как бы точечный источник с огромной температурой, который позволял получать не только узкие нерасходящиеся лучи, но и концентрировать в них огромную мощность. Именно эти характеристики привели к рождению и бурному развитию нового раздела в самой оптике — нелинейной оптики.

В настоящее время созданы оптические квантовые генераторы (ОКХ) различных видов: на кристаллах и стеклах (твердотельные квантовые генераторы), полупроводниковые генераторы, генераторы на жидких красителях, на газовых смесях.

ТАК ЧТО ЖЕ ТАКОЕ ЛАЗЕР? ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?

Прежде всего раскроем физический смысл понятия «индуцированное излучение».

Индуцированное (вынужденное) излучение возникает в результате согласованного по частоте, фазе и направлению почти одновременного испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов, ионов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Оно может происходить во всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения: радио, инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском.

Если в обычных генераторах и усилителях электромагнитных волн (в вакуумных электронных лампах и транзисторах) используют свободные электроны, движение которых описывается классической физикой, то в квантовых генераторах мы имеем дело со связанными электронами, входящими в состав атомов, молекул, ионов, кристаллов.

Движение таких электронов подчиняется законам квантовой механики. Отсюда и появились названия «квантовая электроника», «квантовые генераторы», «квантовые усилители» и т. п.

Согласно законам квантовой механики, энергия электрона в атоме не произвольна: она может иметь лишь определенный (дискретный) ряд значений E₀, Е₁, E₂…, Е_n, называемых уровнями энергии. Значения эти различны для разных атомов. Набор дозволенных значений энергии носит название энергетического спектра атома.

В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах веществ пребывает на самом низком невозбужденном уровне E₀, т. е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии; остальные уровни Е₁, E₂…, Е_n соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными (рис. 42).

Рис. 42. Энергетический спектр атома

При переходе электрона с одного уровня энергии на другой атом может испускать или поглощать электромагнитные волны, частота которых v_m.n определяется соотношением

v_m.n = (Е_m — E_n)/h.

Здесь h — постоянная Планка (h = 6,62∙10^-34 Дж∙с), Е_n — конечный, Е_m — начальный уровень. Чем больше разность энергий состояний, между которыми происходит переход, тем больше частота электромагнитной волны, испускаемой или поглощаемой при таком переходе, тем больше энергия волны hv.

Именно дискретностью энергетического спектра, как нам известно, объясняется линейчатый характер спектра испускания или поглощения электромагнитных волн атомами.

Приведенная выше формула выражает закон сохранения энергии при элементарных актах испускания или поглощения фотонов атомами.

Возбужденный атом может отдать свою некоторую избыточную энергию, полученную от внешнего источника или приобретенную им в результате теплового движения электронов, двумя различными способами.

Всякое возбужденное состояние атома неустойчиво, и всегда существует вероятность его самопроизвольного перехода в более низкое энергетическое состояние с испусканием кванта электромагнитного излучения. Такой переход называют спонтанным (самопроизвольным). Он носит нерегулярный, хаотический характер.

Если одновременно возбудить большую группу атомов, то при известной вероятности спонтанных переходов можно утверждать, что по истечении некоторого времени какая-то часть атомов в среднем должна совершить акты спонтанного испускания. При этом в силу случайного характера явления само излучение может испускаться в окружающую среду по любым равновероятным направлениям. Все обычные источники (лампы накаливания, газоразрядные трубки и т. п.) дают свет в результате спонтанного испускания.

Таков первый механизм испускания электромагнитного излучения атомами. Подведя итог вышеизложенному, можно утверждать, что мы имели дело с двухуровневой схемой испускания света и что в этом случае никакого усиления излучения добиться не удастся. Действительно, если атом поглотил какое-то количество энергии hv, то через некоторое время этот атом выделил энергию в виде кванта, но той же самой энергии hv. В этом случае мы имеем дело с самопроизвольным процессом, не связанным ни с какими внешними воздействиями и присущим изолированному атому, т. е. со спонтанным испусканием. Следовательно, при двухуровневой системе в газе каждый атом может находиться только в двух состояниях: Е₁ — основное состояние, Е₂ — возбужденное состояние.

В этом случае говорят о термодинамическом равновесии, в котором находится газ. В состоянии равновесия процессы возбуждения из-за постоянно действующих внутренних (микроскопических) процессов возбуждения (например, столкновений атомов газа) всегда уравновешены обратными процессами девозбуждения.

Перейдем к рассмотрению более сложной модели — трехуровневой схеме, представленной на рис. 43.

Рис. 43. Трехуровневая схема испускания атомом

Заметим, что существует и четырехуровневая схема, но она значительно сложнее трехуровневой (хотя принципиальная картина процессов, происходящих в атоме, остается той же самой), и мы ее рассматривать не будем.

В атомах вещества при термодинамическом равновесии на каждом последующем возбужденном уровне находится меньше электронов, чем на предыдущем.

Если теперь подействовать на систему возбуждающим излучением с частотой, попадающей в резонанс с переходом между уровнями 1 и 3 (схематично 1 —> 3), то атомы будут поглощать это излучение и переходить с уровня 1 на уровень 3. Если интенсивность излучения достаточно велика, то число атомов, перешедших на уровень 3, может быть весьма значительным и мы, нарушив равновесное распределение населенностей уровней, увеличим населенность уровня 3 и уменьшим, следовательно, населенность уровня 1.

С верхнего третьего уровня возможны переходы 3 —> 1 и 3 —> 2. Оказалось, что переход 3 —> 1 приводит к испусканию энергии Е₃ — Е₁ = hv₃₁, а переход 3 —> 2 не является излучательным: он ведет к заселению «сверху» промежуточного уровня 2 (часть энергии электронов при этом переходе отдается веществу, нагревая его). Этот второй уровень носит название метастабального, и на нем в итоге окажется атомов больше, чем на первом. Именно на этом уровне происходит накопление возбужденных атомов. Поскольку атомы на уровень 2 поступают с основного уровня 1 (через верхнее состояние 3), а обратно на основной уровень возвращаются с «большим запаздыванием», то уровень 1 «обедняется».

В результате и возникает инверсия, т. е. обратное инверсное распределение населенностей уровней. Если N₁ — число атомов в состоянии 1, a N₂ — число атомов в состоянии 2, то при инверсии N₂ > N₁ и генерируются фотоны с энергией hv₂₁ = E₂ — Е₁. Следовательно, инверсия населенностей энергетических уровней создается интенсивным вспомогательным излучением, называемым излучением накачки, и приводит в конечном итоге к индуцированному (вынужденному) размножению фотонов в инверсной среде. Это индуцированное излучение явилось физической основой создания лазера — источника, в котором рождаются «кванты-близнецы», т. е. когерентные, строго направленные узким пучком электромагнитные волны.

На рис. 44 приводится схема, поясняющая поглощение и испускание спонтанного и индуцированного излучения.

Рис. 44. Схема, поясняющая явление поглощения (а), спонтанного (б) и индуцированного (в) излучений

Частица (атом или ион), находящаяся в основном энергетическом состоянии (находится на уровне 1) и изображенная черным кружочком на рис. 44, а, поглощает фотон (волнистая стрелка) и возбуждается, т. е. переходит на более высокий энергетический уровень Е₂ (белый кружок). Возбужденная частица (белый кружок на рис. 44, б) может спонтанно выделить энергию в виде фотона и возвратиться в основное состояние.

Но возбужденную частицу (белый кружок на рис. 44, в) можно заставить испустить фотон под действием внешнего фотона (волнистая стрелка слева). Тогда кроме этого стимулирующего фотона появится второй фотон с той же частотой (волнистые стрелки справа), а частица снова возвратится в основное состояние. Так в результате индуцированного испускания рождаются кванты-близнецы, т. е. при большом числе возбужденных атомов происходит лавинообразный процесс значительного усиления слабого, подлежащего усилению сигнала.

ИТАК, ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПОЛУЧЕНО. ОСТАЕТСЯ СФОРМИРОВАТЬ ЕГО В ПУЧОК.

Действительно, индуцированное размножение фотонов в инверсной среде является лишь необходимым, но не достаточным условием создания и действия лазера — генератора когерентной электромагнитной волны.

Для формирования высокой временной и пространственной когерентности излучения среду, в которой оно возникает, получившую название активной среды, необходимо поместить в оптический резонатор — систему двух сферических или плоских зеркал. Резонатор обладает свойствами не только накапливать внутри себя фотоны, испускаемые активной средой, т. е. создавать дополнительное усиление излучения, но и осуществлять «выбор» волн определенных частот из диапазона hv₂₁ = ΔE/h, обладающих высокой монохроматичностью.

Дело в том, что каждый энергетический уровень представляет собой не узкую линию (рис. 44), а полосу шириной А£ (в случае трехуровневой схемы ΔE₃, ΔE₂).

ДАВАЙТЕ РАССМОТРИМ ДЕЙСТВИЕ РЕЗОНАТОРА ПОДРОБНЕЕ

В резонаторе (рис. 45) элемент активной среды выбран в виде параллелепипеда, а в качестве резонатора выступают два плоских зеркала. В соответствии с одним из физических законов, установленных Бугером, усиление волны в инверсной системе нарастает экспоненциально с увеличением длины активной среды. Однако в реальных физических условиях существуют потери энергии, которые с ростом длины среды возрастают. Следовательно, длину активной зоны необходимо подобрать такой; чтобы потери энергии были минимальны при максимально возможном усилении излучения.

Рис. 45. Схема оптического резонатора

Пусть в точке А активной среды спонтанно испускается фотон энергии hv₂₁ с направлением распространения вдоль оси системы (перпендикулярно зеркалам) и пусть он станет тем «первым камнем», вызывающим лавину фотонов-близнецов. Именно в лазерах этот спонтанно излученный фотон и представляет собой излучение, которое необходимо усилить. В результате движения этого фотона в среде появления индуцированных фотонов амплитуда и энергия волны увеличиваются в направлении ее распространения. После отражения от правого зеркала волна идет обратно, продолжая усиливаться. Пройдя расстояние L, она достигает левого зеркала, отражается и снова устремляется к правому зеркалу.

Такие условия, разумеется, создаются только для осевых волн. Кванты других направлений не способны забрать заметную часть запасенной в активной среде энергии, но при определенных условиях практически вся энергия возбуждения атомов переходит в излучение, направленное вдоль оси резонатора.

Если затем каким-либо способом (об этом несколько позже) дать возможность излучению выйти из резонатора, то можно получить остронаправленный, почти параллельный пучок, линейный угол расходимости которого определяется лишь дифракционными явлениями на зеркале и равен λ/D (D — диаметр пучка).

Это отношение может быть порядка 10^-4—10^-5 рад, в то время как обычные источники света излучают во все стороны, т. е. в 4π; рад. Применение плоских зеркал в резонаторе приводит к тому, что выходящая из лазера волна имеет почти плоский фронт, т. е. имеет высокую степень пространственной и временной когерентности по всему сечению пучка.

Теперь мы можем окончательно заключить, что физической основой лазеров являются: эффект индуцированного (вынужденного) излучения; создание термодинамического неравновесия в активных средах, сопровождающееся инверсией и дающее возможность усиливать световые волны; применение оптического резонатора, накапливающего кванты излучения и формирующего упорядоченную структуру электромагнитного поля, создающего его высокую когерентность.

КАКОВА ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТЫ ЛАЗЕРА?

Функциональная схема любого оптического квантового генератора (ОКГ) изображена на рис. 46. Здесь 1 — активная среда, 2 — система накачки, 3 — оптический резонатор, 4 — возможные дополнительные элементы. Резонатор выделяет в пространстве оптическую ось ОО₁ генератора, вдоль которой испускается лазерное излучение.

Рис. 46. Функциональная схема оптического квантового генератора (ОКГ)

ЧТО ИСПОЛЬЗУЮТ В КАЧЕСТВЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ В ЛАЗЕРАХ?

В различных лазерах в качестве активной среды применяют различные газы и газовые смеси (газовые ОКГ), кристаллы и стекла с примесями определенных ионов (твердотельные ОКГ), полупроводники (полупроводниковые ОКГ). Активная среда включает в себя небольшое количество атомов, ионов или молекул, называемых активными центрами. В полупроводниковых ОКГ роль высвечивающихся возбужденных активных центров играют электронно-дырочные пары.

Способы возбуждения (в системе накачки) зависят от типа активной среды. Это либо способ передачи энергии возбуждения в результате столкновения частиц в плазме газового разряда (газовые ОКГ), либо передача энергии облучением активных центров некогерентным светом от специальных источников (оптическая накачка в твердотельных ОКГ), либо инжекция неравновесных носителей через р-n-переход, либо возбуждение электронным пучком, либо оптическая накачка (полупроводниковые ОКГ).

Что касается оптического резонатора, то он представляет собой комбинацию из двух зеркал, одно из которых должно быть в некоторой степени прозрачно по отношению к генерируемому излучению.

Внутрь резонатора помещают дополнительные элементы. Их задача — обеспечить определенный режим работы ОКГ (например, непрерывную генерацию, импульсный режим свободной генерации или импульсный режим гигантских импульсов), модулировать лазерное излучение (т. е. вносить в него определенную полезную информацию).

КАКИЕ ЖЕ СУЩЕСТВУЮТ ЛАЗЕРЫ? В КАКИХ РЕЖИМАХ ОНИ РАБОТАЮТ?

В настоящее время создано чрезвычайно много различных лазеров, дающих излучение в широком диапазоне длин волн (от 200 до 20000 нм, т. е. от глубокого ультрафиолета до далекой инфракрасной области). Лазеры работают с очень короткой длительностью светового импульса τ ~= 10^-12 с, а также могут давать и непрерывное излучение.

Плотность потока энергии лазерного излучения составляет величину порядка 10¹⁸ Вт/см² (интенсивность Солнца составляет «всего» 7∙10³ Вт/см²).

Сначала остановимся на твердотельных лазерах. Среди них наиболее известны рубиновый лазер и лазеры на стекле, в частности неодимовый лазер (наиболее мощный твердотельный лазер). Активная среда таких ОКГ всегда состоит из двух компонент: основной с кристаллическим или аморфным диэлектриком и примесной (в количестве от нескольких десятых, сотых до нескольких процентов от основной компоненты). Все физические процессы, приводящие к генерации когерентного излучения, происходят в атомах примеси, тогда как основная компонента является средой, которая оберегает активные центры от перегрева, внешних механических перегрузок и является также высокооптически прозрачной основой, несущей излучающие вкрапления атомов или ионов примеси. Для создания инверсии используют оптическую накачку от специальных мощных ламп-вспышек.

ПО КАКОЙ СХЕМЕ РАБОТАЮТ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОКГ?

Твердотельные ОКГ работают по трех- или четырехуровневой схеме. Коэффициент полезного действия этого типа ОКГ определяется эффективностью превращения электрической энергии в световую (35–50 %), эффективностью поглощения световой энергии активным стержнем (30–50 %), эффективностью использования энергии, поглощенной стержнем (5—10 %), и составляет 0,1–2 %. Твердотельные ОКХ обладают достаточно высокой мощностью излучения при относительно малой длине активной среды.

Первый твердотельный рубиновый лазер (основным элементом такого ОКГ является рубиновый стержень высокой оптической однородности) был создан в 1960 г. Рубин представляет собой по химическому составу оксид алюминия Al₂О₃ (корунд) с примесью ионов хрома (0,03—0,05 %), окрашивающих корунд в розовый цвет. Таким образом, ионы хрома и являются активными центрами, в которых осуществляются все физические процессы генерации излучения.

Рубиновый стержень обычно имеет форму цилиндра диаметром 0,5–2 см и длиной 4,5—24 см.

На рис. 47 показан характерный общий вид твердотельного ОКГ. Здесь 1 — активный стержень, 2 — зеркала оптического генератора, представляющие собой специально обработанные торцы активного стержня, 3 — лампа-вспышка (возможны также конструкции, использующие лампу непрерывного горения), 4 — эллиптический отражатель. В современных лазерах для более эффективной концентрации световой энергии лампы на активном стержне осветитель и рубиновый стержень располагают в фокусах эллипса.

Рис. 47. Твердотельный рубиновый лазер

Ионы хрома, входящие в состав рубина, до вспышки находятся на самом нижнем невозбужденном уровне. Два возбужденных состояния ионов лежат в зеленой и синей областях спектра.

Поглощая зеленый или синий свет, содержащийся в излучении лампы-вспышки, ионы переходят в возбужденное состояние, т. е. на уровень £У (см. рис. 43). Время жизни ионов на этом уровне менее 1∙10^-7 с. Они быстро переходят на нижний возбужденный уровень E₂, отдавая некоторую часть энергии решетке кристалла, нагревая ее. На этом уровне ион может находиться относительно долго (~ 10^-3 с).

При достаточно мощной вспышке можно перебросить на метастабильный уровень за 10^-3 с достаточное количество частиц и получить инверсию населенности между метастабильным и невозбужденными уровнями иона. Переход частиц с уровня E₃ на уровень E₂ происходит без испускания электромагнитных волн, тогда как переход с метастабильного на основной уровень происходит с испусканием света в красной области спектра (λ = 694,3 нм).

При инверсии населенности рубин приобретает способность усиливать красный свет. В качестве ламп накачки используют мощные газоразрядные лампы спиральной или трубчатой конструкции. Длительность вспышки порядка 1∙10^-3 с, а сама лампа питается от батарей конденсаторов емкостью до 10 000 мкФ, заряженных до нескольких тысяч вольт. Обычно большие лазеры дают в импульсе энергию до 1000 Дж, что соответствует импульсной мощности до 1 МВт.

В качестве другого примера твердотельного ОКГ может служить неодимовый лазер, активная среда которого представляет собой стекло с примесью атомов неодима. Лазер функционирует по четырехуровневой схеме и дает излучение в инфракрасной области с λ = с/v₃₂ = 1060 нм (здесь с — скорость света, т. е. скорость распространения электромагнитных волн).

В КАКОМ РЕЖИМЕ РАБОТАЮТ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОКГ?

Твердотельные ОКГ (как, впрочем, и любой лазер) могут работать как в стационарном или непрерывном, так и в импульсном режимах. Для осуществления стационарного режима работы лазера плоские торцы рубинового или неодимового стержня покрывают слоями серебра так, чтобы один торец имел высокий (~ 1) коэффициент отражения, а другой был бы полупрозрачным. В этом режиме создание инверсии и генерация происходят одновременно, т. е. накачка образует инверсную заселенность энергетических уровней, а генерация непрерывно ее «уничтожает».

Однако существуют способы «накопления» инверсии, а затем «выстреливания» излучения за очень короткое время порядка 1∙10^-8 с (10 нc). Такой импульсный режим предусматривает применение одного непрозрачного, а другого полностью прозрачного зеркал резонатора. В то время как действует лампа накачки, при полностью прозрачном торце лазера на выходе излучения (правый торец стержня на рис. 47) многократный переход индуцированного излучения и его усиление невозможны, т. е. инверсия не «перерабатывается» в излучение и происходит рост заселенности инверсных уровней.

Если теперь, когда инверсия уже велика, правый торец станет частично отражающим («заменится» полупрозрачным зеркалом), возникнет усиление и будет генерирован импульс излучения. Заметим, что в этом режиме мощность излучения не превышает мощности, выделяемой при стационарном (непрерывном) режиме.

НО СУЩЕСТВУЕТ ЕЩЕ И РЕЖИМ ГИГАНТСКИХ ИМПУЛЬСОВ?

В режиме гигантских импульсов излучение реализуется в виде мощных одиночных или повторяющихся импульсов, пиковая мощность которых достигает 10⁶—10¹⁰ МВт при длительности порядка 10^-12 с.

В этом случае при накачке и «накоплении» инверсии оба торца лазера непрозрачны — генерация нарастает до значительных размеров. Затем одно из препятствий излучению (с правого конца стержня) «убирается» и мощный импульс беспрепятственно устремляется наружу. Для обеспечения условий импульсного режима генерации применяют дополнительные элементы (4 на рис. 46) различной конструкции — оптические затворы. В простейшем случае это может быть синхронизированный с импульсами накачки вращающийся прерыватель светового пучка или вращающееся зеркало резонатора. Для создания режима гигантских импульсов более совершенными оказываются пассивные и электрооптические затворы.

Рассмотрим вкратце для примера работу пассивного затвора, представляющего собой жидкость, просветляющуюся под действием генерируемого излучения. После включения импульса накачки начинает создаваться инверсия населенностей энергетических уровней, однако затвор непрозрачен и генерация отсутствует. Появляющиеся фотоны за счет спонтанных переходов частотой hv₂₁ = (E₂ — E₁)/h поглощаются активными центрами жидкости, и начинается просветление затвора. При частичном просветлении затвора начинается генерация излучения, число фотонов с частотой hv₂₁ резко возрастает, затвор быстро и окончательно просветляется. В результате возникает гигантский импульс лазерного излучения. По окончании действия импульса накачки затвор снова становится непрозрачным — до следующего импульса накачки, т. е. действие пассивного затвора полностью регулируется импульсами накачки. В качестве просветляющихся жидкостей применяют фталоцианин в нитробензоле, криптоцианин в нитробензоле и др.

РАССКАЖИТЕ О ГАЗОВЫХ ОКГ.

Активные центры в газовых ОКГ могут иметь разную физическую природу: либо это нейтральные атомы (атомные газовые ОКГ), либо ионы (ионные газовые ОКГ), либо молекулы (молекулярные газовые ОКГ).

В атомных газовых ОКГ энергетические уровни атомов находятся на расстоянии от 0,1 до 2 эВ, чему соответствует оптическое излучение в инфракрасной и видимой областях спектра (λ = 500÷10 000 нм).

В ионных газовых ОКГ переходы происходят между уровнями ионов. Расстояние между рабочими уровнями составляет от 2 до 10 эВ, чему соответствует излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра (λ = 100÷500 нм).

В молекулярных газовых ОКГ переходы осуществляются между колебательными и вращательными уровнями молекул; расстояние между рабочими уровнями от 0,01 до 0,1 эВ, чему соответствует излучение в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и инфракрасной области спектра (λ= 10⁶÷10⁴ нм).

Активная среда газовых ОКГ расположена внутри газоразрядной трубки, а для накачки используют импульсные или стационарные виды разрядов.

Газы обладают высокой оптической однородностью и прозрачностью, это позволяет изготовлять длинные газоразрядные трубки (от нескольких десятков сантиметров до нескольких и даже десятков метров).

На рис. 48 приведена принципиальная схема газоразрядной трубки ОКГ на гелий-неоне (активная среда — гелий-неон, активные центры — атомы неона).

Рис. 48. Газовый ОКГ на гелий-неоне

Используется тлеющий разряд постоянного тока. Зеркала резонатора расположены вне газоразрядной трубки.

Для ОКГ на гелий-неоне характерны следующие параметры: выходная мощность 0,01 Вт, коэффициент полезного действия 0,01 %.

Одним из самых мощных современных: лазеров является молекулярный газовый ОКГ на углекислом газе. Активная среда в нем — смесь углекислого газа (около 1 мм рт. ст.), молекулярного азота (1 мм рт. ст.) и гелия (около 5 мм рт. ст.); активные центры — молекулы СО₂. Используется тлеющий разряд, в верхний рабочий уровень молекулы СО₂ заселяется за счет электронного возбуждения и неупругих столкновений с молекулами азота (время жизни этого уровня 10^-1 с).

Для ОКГ этого типа характерны мощность порядка 10 кВт и КПД 10–20 %, генерируется инфракрасное излучение с λ = 1060 нм.

Кроме твердотельных и газовых существуют также жидкостные и полупроводниковые ОКГ, наиболее перспективные из которых позволяют получать излучение в широком интервале длин волн (от ультрафиолетовых до инфракрасных) при высокой мощности и КПД (порядка 30 % и более).