Газовые лазеры


Газовые лазеры

Газовые лазеры были созданы почти одновременно с рубиновыми лазерами, в том же 1960 году. Их рабочее вещество —различные газы, заключенные в стеклянные трубки. Давление газов в этих трубках очень низкое, в сотни раз меньше атмосферного. На концах трубки-окошки, через которые луч света выходит наружу. Трубка, конечно, помещается между зеркалами. Словом, все, как в импульсном лазере. Только лампы накачки нет. Газы при низком давлении хорошо проводят электрический ток, поэтому их атомы можно возбуждать просто электрическим разрядом. Ток подводится через проволочки — электроды, впаянные в стеклянную трубку. Трубка с возбужденным газом светится, как рекламная надпись в витрине магазина, а из ее торцов выходят лучи разного цвета, смотря по тому, какой газ в нее заключен. Смесь гелия с неоном дает красный луч, аргон —синий, ксенон — зеленый, криптон— желтый, а углекислый газ — невидимый тепловой, инфракрасный луч.

Есть даже лазер на водяных парах. Такая «паровая машина» конца XX века дает мощное тепловое излучение. Длина его волны чуть больше одной десятой миллиметра. Это самое длинноволновое излучение, полученное при помощи лазера.

Разреженный газ в лазерной трубке очень мало рассеивает свет. Возбуждается газ электрическим разрядом, который проходит через всю толщу газа не затухая. Поэтому размеры трубок газовых лазеров можно делать очень большими: лазер длиной 5— 10 метров —вещь довольно обычная. Мощность его излучения может достигать тысячи ватт (то есть одного киловатта). Этого достаточно, например, чтобы разрезать лист стали толщиной один миллиметр. А если нужно обрабатывать большую деталь? Для лазерной сварки и резки листовой стали необходим один киловатт излучения на каждый миллиметр толщины листа. То есть для обработки стали толщиной пять миллиметров мощность лазера должна быть пять киловатт. Разрядная трубка такого лазера будет иметь длину около ста метров. Многовато...

Но что делать! Плотность газов во много раз меньше плотности твердых тел, а значит, и в каждом кубическом сантиметре газа нельзя получить столько же возбужденных атомов, излучающих свет, как в твердотельном лазере.

«То есть как «что делать»? — можете сказать вы.— Нужно увеличить давление газа в трубке. Не сотые доли атмосферы, а десятки, сотни атмосфер. Тогда и количество активных атомов возрастет в тысячи раз, и во столько же раз повысится мощность!»

Пробовали. Не получается. Электрический разряд при повышении давления газа перестает проходить через весь его объем, а как молния проскакивает по узкому каналу, мгновенно нагревая его до температуры в сотни градусов. Лазерный эффект при этом исчезает.

Вот если бы удалось быстро заменить уже отработанное, излучившее вещество на свежее, с только что возбужденными атомами! Что-то вроде револьверного барабана, только в нем не патроны, а газовые трубки или стержни. Движутся они между зеркалами так быстро, что их вспышки сливаются в непрерывное излучение. По дороге к зеркалам рабочее вещество успевает остыть, отдохнуть и в нужный момент вновь готово к работе.

Но зачем двигать всю трубку? Ведь в ней газ. Его можно просто прокачивать между зеркалами, а по дороге охлаждать. Электроды, между которыми происходит разряд, можно сделать в виде колючей щетки: с каждого острия стекает отдельный заряд, а все вместе они возбуждают газ во всем объеме между зеркалами. Теперь и давление газа можно повысить—возле многосекционного электрода он успеет возбудиться весь.

Именно так работает уникальная установка ЛТ-1, созданная для промышленных целей физиками Московского государственного университета и Института атомной энергии. Полигоном для ее испытаний был выбран ЗИЛ — автомобильный завод имени Лихачева.

Мощность ЛТ-1 достаточно велика—пять киловатт. Его разрядная камера прямоугольного сечения имеет высоту 20 см, ширину 4 см и длину... 90 сантиметров (вспомните о 100 метрах длины обычного лазера!). Работает он на углекислом газе, который прокачивается насосом по замкнутой трубе. По дороге газ проходит через холодильник и остывает там до нормальной, рабочей температуры. Поэтому лазер может работать непрерывно целую рабочую смену — семь-восемь часов.

Четыре зеркала лазера позволяют излучению трижды проходить через рабочий объем установки. Зеркала сделаны из полированного металла. Выходное зеркало немного меньшего размера, чем остальные. Из-за этого луч, выходящий из установки, имеет форму трубы. Но это работе не мешает: сфокусировав его в точку, можно получить плотность энергии до десяти миллионов ватт непрерывного излучения. Меняя площадь пятна на обрабатываемой поверхности, а значит, и энергию, на нее попадающую, можно резать, сваривать и закаливать стальные детали.

А что, если этот поток газа разогнать еще сильнее? Скажем, до сверхзвуковых скоростей, с какими вылетает поток раскаленных газов из реактивного двигателя. Мощность лазера должна повыситься во много раз —ведь число возбужденных атомов, излучающих свет, резко возрастет. Идея была очень заманчивой, и такой лазер вскоре был сконструирован. Процессами, происходящими при сверхзвуковых скоростях движения газа, занимается раздел физики, называемый газовой динамикой.

Раздел: Статьи про лазеры 21.10.2016

Статьи про лазерыГазовые лазеры

Смотрите также

Оружие древнего человека

Здесь собраны статьи про оружие древних людей. Так же вы узнаете как человек впервые обнаружил железо и многое другое.

Статьи про лазеры

Статьи про различные лазеры и их применение в разных сферах деятельности.