Вот те на! Не успели мы порадоваться, создав конструкцию без всяких насосов, без газовых трубок и замкнутых объемов, как все начинается сначала: насосы, трубки, газовая струя. А что, если объединить два принципа? Сконструировать лазер на газовой струе.
Рассуждать станем так. Каким-то способом, каким — пока не знаем, нам удалось получить газ с инверсией населенностей. Выпустим струю из такого газа, и пусть эта струя проходит в промежутке между двумя зеркалами, благодаря чему и создается лазерное излучение. Газ при этом нагревается, но он тут же выходит из рабочего объема и поэтому нашей конструкции не грозит разрушение от перегрева. Отработавший газ выбрасывать не жалко — после вынужденного излучения атомы в нем вернулись в основные состояния, и он больше не представляет собой активное вещество.
Получается совсем неплохо. Один и тот же газ используется и для излучения, и для охлаждения. Но как сделать газ активным, создать в нем инверсию населенностей? Мы хотим построить мощный лазер, значит, плотность газа должна быть достаточно большой и методы механического разделения здесь не подходят. Атомы газа в отличие от атомов твердого тела непрерывно перемещаются в пространстве и взаимодействуют друг с другом. В процессе такого взаимодействия происходит непрерывный обмен энергиями. Поэтому в газе все уровни заселены в соответствии с законом распределения, и нельзя выделить отдельные трехуровневые системы, как в твердом теле. В известном смысле из всех состояний вещества газообразное меньше всего подходит для создания инверсии населенностей. Недаром объем с газом всегда используется как классический пример при рассуждениях о распределении по энергиям.
И все же на сегодня наибольшая мощность да еще в режиме непрерывного действия достигнута именно у газовых лазеров. Как это делается? Используется не один, а смесь двух газов, например азота и углекислого газа. С помощью накачки молекулы азота переводятся в возбужденное состояние. Накачка может быть любой, в частности оптической, но по многим соображениям удобнее всего использовать для накачки электрический разряд в газе.
Далее вводится в действие такой механизм. Молекулы азота возбуждаются и переводятся на один из самых высоких энергетических уровней. Все эти уровни близки (чуть выше) к одному из метастабильных уровней молекул углекислого газа. Молекулы азота и углекислого газа взаимодействуют между собой, в результате происходит обмен энергиями и большое количество молекул углекислого газа оказывается на метастабилыюм уровне» Возникает инверсия населенностей, а дальше все уже
известно.
Лазерное горючее
Рассказывая о конструкции газового лазера, мы использовали слова «отработавший газ». Здесь напрашивается тесная аналогия с сжиганием топлива. Газовая смесь, находящаяся в состоянии активного вещества, обладает определенным запасом энергии. В процессе вынужденного излучения топливо «сгорает», иначе говоря, избыток энергии преобразуется в излучение. В результате сгорания, кроме излучения, получается и отработавшее, лишенное избытка энергии вещество, так сказать, выхлоп, который и выводится за пределы рабочего объема.
Есть только одно отличие. Исходный избыток энергии несет в себе не само вещество, как, например, бензино-воздушная смесь в автомобильном двигателе. Избыток энергии создается искусственно в результате накачки. Наверное, стоит обратить внимание на одну важную подробность. Инверсия населенностей в активном газе происходит постольку, поскольку существует метаста-бильное состояние. Если активный газ предоставить самому себе, очень скоро, в данном случае это тысячные доли секунды и даже меньше, произойдет самопроизвольное распределение по энергетическим уровням.
При этом не обязательно в том или ином виде выделяется энергия. Вся энергия, полученная газом при накачке, может сохраниться. Просто при самопроизвольных переходах выделяются фотоны, эти фотоны тут же поглощаются другими атомами, меняя их энергетические состояния. Средняя энергия, приходящаяся на один атом, останется той же, изменяются распределения атомов по энергии, но вещество перестает быть активным. Как говорят «калиф на час», точно так же активный газ можно назвать горючим на миллисекунду.